摸透以太網(wǎng)的PHY、MAC及其通信接口

一口Linux 2024-12-26 11:39

KDES 2026上海峰會：定義下一代工程仿真 汽車電子架構(gòu)重構(gòu)與智能連接革命

擊左上方藍(lán)色“一口Linux”，選擇“設(shè)為星標(biāo)”

第一時(shí)間看干貨文章?

?【干貨】嵌入式驅(qū)動(dòng)工程師學(xué)習(xí)路線
?【干貨】Linux嵌入式知識點(diǎn)-思維導(dǎo)圖-免費(fèi)獲取
?【就業(yè)】一個(gè)可以寫到簡歷的基于Linux物聯(lián)網(wǎng)綜合項(xiàng)目
?【就業(yè)】找工作簡歷模版

本文主要介紹以太網(wǎng)的MAC（Media Access Control，即媒體訪問控制子層協(xié)議）和PHY（物理層）之間的MII（Media Independent Interface ，媒體獨(dú)立接口），以及MII的各種衍生版本——GMII、SGMII、RMII、RGMII等。

簡介

從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理層接口PHY（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成。如下圖所示：

CPU集成MAC與PHY。目前來說并不多見

CPU集成MAC，PHY采用獨(dú)立芯片。比較常見

CPU不集成MAC與PHY，MAC與PHY采用集成芯片。比較常見

MAC及PHY工作在OSI七層模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。具體如下：

什么是MAC

MAC（Media Access Control）即媒體訪問控制子層協(xié)議。

該部分有兩個(gè)概念：MAC可以是一個(gè)硬件控制器及 MAC通信以協(xié)議。該協(xié)議位于OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的下半部分，主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。MAC硬件大約就是下面的樣子了：

在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層。

在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，如果沒有錯(cuò)誤，則去掉控制信息發(fā)送至LLC(邏輯鏈路控制)層。該層協(xié)議是以太網(wǎng)MAC由IEEE-802. 3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層其實(shí)包含MAC(介質(zhì)訪問控制)子層和LLC(邏輯鏈路控制)子層。一塊以太網(wǎng)卡MAC芯片的作用不但要實(shí)現(xiàn)MAC子層和LLC子層的功能，還要提供符合規(guī)范的PCI界面以實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

MAC從PCI總線收到IP數(shù)據(jù)包(或者其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的數(shù)據(jù)包)后，將之拆分并重新打包成最大1518Byte、最小64Byte的幀。

這個(gè)幀里面包括了目標(biāo)MAC地址、自己的源MAC地址和數(shù)據(jù)包里面的協(xié)議類型(比如IP數(shù)據(jù)包的類型用80表示，最后還有一個(gè)DWORD(4Byte)的CRC碼。

可是目標(biāo)的MAC地址是哪里來的呢？

這牽扯到一個(gè)ARP協(xié)議(介乎于網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)協(xié)議)。第一次傳送某個(gè)目的IP地址的數(shù)據(jù)的時(shí)候，先會發(fā)出一個(gè)ARP包，其MAC的目標(biāo)地址是廣播地址，里面說到：“誰是xxx.xxx.xxx.xxx這個(gè)IP地址的主人？”

因?yàn)槭菑V播包，所有這個(gè)局域網(wǎng)的主機(jī)都收到了這個(gè)ARP請求。收到請求的主機(jī)將這個(gè)IP地址和自己的相比較，如果不相同就不予理會，如果相同就發(fā)出ARP響應(yīng)包。

這個(gè)IP地址的主機(jī)收到這個(gè)ARP請求包后回復(fù)的ARP響應(yīng)里說到：“我是這個(gè)IP地址的主人”。這個(gè)包里面就包括了他的MAC地址。以后的給這個(gè)IP地址的幀的目標(biāo)MAC地址就被確定了。(其它的協(xié)議如IPX/SPX也有相應(yīng)的協(xié)議完成這些操作)。

IP地址和MAC地址之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系保存在主機(jī)系統(tǒng)里面，叫做ARP表。由驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)完成。

在Microsoft的系統(tǒng)里面可以用arp-a 的命令查看ARP表。收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)候也是一樣，做完CRC校驗(yàn)以后，如果沒有CRC效驗(yàn)錯(cuò)誤，就把幀頭去掉，把數(shù)據(jù)包拿出來通過標(biāo)準(zhǔn)的接口傳遞給驅(qū)動(dòng)和上層的協(xié)議棧。最終正確的達(dá)到我們的應(yīng)用程序。

還有一些控制幀，例如流控幀也需要MAC直接識別并執(zhí)行相應(yīng)的行為。

以太網(wǎng)MAC芯片的一端接計(jì)算機(jī)PCI總線，另外一端就接到PHY芯片上，它們之間是通過MII接口鏈接的。

一個(gè)MAC的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

什么是PHY

PHY（（Physical Layer，PHY））是IEEE802.3中定義的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，STA（station management entity，管理實(shí)體，一般為MAC或CPU）通過SMI（Serial Manage Interface）對PHY的行為、狀態(tài)進(jìn)行管理和控制，而具體管理和控制動(dòng)作是通過讀寫PHY內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)PHY的基本結(jié)構(gòu)如下圖：

PHY是物理接口收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)OSI模型的物理層。

IEEE-802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)PHY。包括MII/GMII(介質(zhì)獨(dú)立接口)子層、PCS(物理編碼子層)、PMA(物理介質(zhì)附加)子層、PMD(物理介質(zhì)相關(guān))子層、MDI子層。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14條)和100BaseTX(第24條和第25條)的規(guī)范。

注：PHY寄存器在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的 22.2.4 Management functions 節(jié)有介紹，但不涉及所有的寄存器，個(gè)別寄存器需要到其它章節(jié)中看，當(dāng)然，文檔里面也提到該在哪里找到哪個(gè)寄存器。

什么是MII

MII（Media Independent Interface）即媒體獨(dú)立接口，MII 接口是 MAC 與 PHY 連接的標(biāo)準(zhǔn)接口。它是 IEEE-802.3 定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。MII 接口提供了 MAC 與 PHY 之間、PHY 與 STA（Station Management）之間的互聯(lián)技術(shù)，該接口支持 10Mb/s 與 100Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粚挒?4 位。MII 接口如下圖所示：

“媒體獨(dú)立” 表明在不對 MAC 硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類型的 PHY 設(shè)備都可以正常工作。802.3 協(xié)議最多支持 32 個(gè) PHY，但有一定的限制：要符合協(xié)議要求的 connector 特性。此外，提到 MII，就有可能涉及到 RS，PLS，STA 等名詞術(shù)語，下面講一下他們之間對應(yīng)的關(guān)系。

所謂 RS 即 Reconciliation sublayer，它的主要功能主要是提供一種 MII 和 MAC/PLS 之間的信號映射機(jī)制。它們（RS 與 MII）之間的關(guān)系如下圖：

MII的Management Interface是與STA（Station Management）相連的。

注：關(guān)于本節(jié)，具體可參考IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3的22.3 Signal timing characteristics節(jié)，其中包含時(shí)鐘信號等更詳細(xì)內(nèi)容。

MII接口主要包括四個(gè)部分。一是從MAC層到PHY層的發(fā)送數(shù)據(jù)接口，二是從PHY層到MAC層的接收數(shù)據(jù)接口，三是從PHY層到MAC層的狀態(tài)指示信號，四是MAC層和PHY層之間傳送控制和狀態(tài)信息的MDIO接口。

MII 包括一個(gè)數(shù)據(jù)接口，以及一個(gè) MAC 和 PHY 之間的管理接口：

數(shù)據(jù)接口：?包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨(dú)立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和控制信號。MII 數(shù)據(jù)接口總共需要 16 個(gè)信號，包括
TX_ER（transmit coding error）：?TX_ER 同步于 TX_CLK，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果 TX_ER 有效超過一個(gè)時(shí)鐘周期，并且此時(shí)TX_EN 是有效的，則數(shù)據(jù)通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無效的，沒用的。注：當(dāng) TX_ER 有效并不影響工作在 10Mb/s 的 PHY 或者 TX_EN 無效時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。在 MII 接口的連線中，如果 TX_ER 信號線沒有用到，必須將它下拉接地。
TXD<3:0>（transmit data）：?TXD 由 RS 驅(qū)動(dòng)，同步于 TX_CLK，在 TX_CLK 的時(shí)鐘周期內(nèi)，并且TX_EN 有效，TXD 上的數(shù)據(jù)被 PHY 接收，否則 TXD 的數(shù)據(jù)對 PHY 沒有任何影響。
TX_EN：?發(fā)送使能。TX_EN 由 Reconciliation 子層根據(jù) TX_CLK 上升沿同步進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
TX_CLK（transmit clock）：?TX_CLK (Transmit Clock) 是一個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘信號（即系統(tǒng)啟動(dòng)，該信號就一直存在），它是 TX_EN、TXD、TX_ER（信號方向?yàn)閺?RS 到 PHY）的參考時(shí)鐘，TX_CLK 由 PHY 驅(qū)動(dòng) TX_CLK 的時(shí)鐘頻率是數(shù)據(jù)傳輸速率的 25%，偏差 ±100ppm。例如，100Mb/s 模式下，TX_CLK 時(shí)鐘頻率為 25MHz，占空比在 35% 至 65% 之間。
COL（collision detected）：?COL 不需要同步于參考時(shí)鐘。The behavior of the COL signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one（自動(dòng)協(xié)商禁止，人工設(shè)為全雙工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半雙工模式信號有效，全雙工模式信號無效。
RXD<3:0>（receive data）：?RXD由RS驅(qū)動(dòng)，同步于 RX_CLK，在 RX_CLK 的時(shí)鐘周期內(nèi)，并且 RX_DV 有效，RXD 上的數(shù)據(jù)被RS 接收，否則 RXD 的數(shù)據(jù)對 RS 沒有任何影響。While RX_DV is de-asserted, the PHY may provide a False Carrier indication by asserting the RX_ER signal while driving the value <1110> onto RXD<3:0>。
RX_ER（receive error）：?RX_ER 同步于 RX_CLK，其在 RX 通道中的作用類似于 TX_ER 對于 TX 通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/section>
RX_CLK：?它與 TX_CLK 具有相同的要求，所不同的是它是 RX_DV、RXD、RX_ER（信號方向是從 PHY 到 RS）的參考時(shí)鐘。RX_CLK 同樣是由 PHY 驅(qū)動(dòng)，PHY 可能從接收到的數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘 RX_CLK，也有可能從一個(gè)名義上的參考時(shí)鐘(e.g., the TX_CLK reference)來驅(qū)動(dòng)RX_CLK。
CRS（carrier sense）：?CRS 不需要同步于參考時(shí)鐘，只要通道存在發(fā)送或者接收過程，CRS 就需要有效。The behavior of the CRS signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one(自動(dòng)協(xié)商禁止，人工設(shè)為全雙工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半雙工模式信號有效，全雙工模式信號無效。
RX_DV（Receive Data Valid）：?RXD_DV 同步于 RX_CLK，被 PHY 驅(qū)動(dòng)，它的作用如同于發(fā)送通道中的 TX_EN，不同的是在時(shí)序上稍有一點(diǎn)差別：為了讓數(shù)據(jù)能夠成功被RS接收，要求RXD_DV有效的時(shí)間必須覆蓋整個(gè) FRAME 的過程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter。MII以4位半字節(jié)方式傳送數(shù)據(jù)雙向傳輸，時(shí)鐘速率25MHz。其工作速率可達(dá)100Mb/s。
MII 管理接口：?是個(gè)雙信號接口，通過管理接口，MAC 就能監(jiān)視和控制 PHY。其管理是使用 SMI(Serial Management Interface) 總線通過讀寫 PHY 的寄存器來完成的。一個(gè)是時(shí)鐘信號（***MDC (management data clock)）。另一個(gè)是數(shù)據(jù)信號（MDIO (management data input/output)***）。
MDC：?由站管理實(shí)體向 PHY 提供，作為在 MDIO 信號上傳送信息的定時(shí)參考。MDC 是一種非周期性的信號，沒有最高或最低時(shí)間。無論 TX_CLK 和 RX_CLK 的標(biāo)稱周期如何，MDC 的最小高低時(shí)間應(yīng)為 160 ns，MDC 的最小周期為 400 ns。
MDIO：?是 PHY 和 STA 之間的雙向信號。它用于在 PHY 和 STA 之間傳輸控制信息和狀態(tài)。控制信息由 STA 同步地針對 MDC 驅(qū)動(dòng)并且由 PHY 同步地采樣。狀態(tài)信息由 PHY 針對 MDC 同步驅(qū)動(dòng)并由 STA 同步采樣。

PHY 里面的部分寄存器是 IEEE 定義的，這樣PHY把自己的目前的狀態(tài)反映到寄存器里面。

MAC 通過 SMI 總線不斷的讀取PHY 的狀態(tài)寄存器以得知目前 PHY 的狀態(tài)。例如連接速度、雙工的能力等。

當(dāng)然也可以通過 SMI 設(shè)置 PHY的寄存器達(dá)到控制的目的。例如流控的打開關(guān)閉、自協(xié)商模式還是強(qiáng)制模式等。

不論是物理連接的MII總線和 SMI 總線，還是 PHY 的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是由IEEE的規(guī)范的。因此不同公司的 MAC 和 PHY 一樣可以協(xié)調(diào)工作。當(dāng)然為了配合不同公司的 PHY 的自己特有的一些功能，驅(qū)動(dòng)需要做相應(yīng)的修改。

MII 支持 10Mbps 和 100Mbps 的操作，一個(gè)接口由 14 根線組成，它的支持還是比較靈活的。

但是有一個(gè)缺點(diǎn)是因?yàn)樗粋€(gè)端口用的信號線太多，如果一個(gè) 8 端口的交換機(jī)要用到 112 根線，16 端口就要用到 224 根線，到 32 端口的話就要用到 448 根線。

一般按照這個(gè)接口做交換機(jī)是不太現(xiàn)實(shí)的。所以現(xiàn)代的交換機(jī)的制作都會用到其它的一些從 MII 簡化出來的標(biāo)準(zhǔn)，比如 RMII、SMII、GMII等。

什么是RMII

簡化媒體獨(dú)立接口是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口之一，比 MII 有更少的 I/O 傳輸。RMII 口是用兩根線來傳輸數(shù)據(jù)的，MII 口是用 4 根線來傳輸數(shù)據(jù)的，GMII 是用 8 根線來傳輸數(shù)據(jù)的。MII/RMII 只是一種接口，對于10Mbps 線速，MII 的時(shí)鐘速率是 2.5MHz 就可以了，RMII 則需要 5MHz；對于 100Mbps 線速，MII 需要的時(shí)鐘速率是 25MHz，RMII 則是 50MHz。

MII/RMII 用于傳輸以太網(wǎng)包，在 MII/RMII 接口是 4/2bit 的，在以太網(wǎng)的PHY里需要做串并轉(zhuǎn)換，編解碼等才能在雙絞線和光纖上進(jìn)行傳輸，其幀格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。

以太網(wǎng)幀的格式為：前導(dǎo)符 + 開始位 + 目的 mac 地址 + 源 mac 地址 + 類型/長度 + 數(shù)據(jù) + padding(optional) + 32bitCRC。如果有 vlan,則要在類型/長度后面加上 2 個(gè)字節(jié)的 vlan tag，其中 12bit 來表示vlan id，另外，4bit 表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級！

什么是GMII

GMII是千兆網(wǎng)的MII接口，這個(gè)也有相應(yīng)的RGMII接口，表示簡化了的GMII接口。GMII 采用 8 位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá) 1000Mbps。同時(shí)兼容 MII 所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。GMII 接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該接口定義見 IEEE 802.3-2000。

信號名稱	描述	方向
GTX_CLK	1000M發(fā)送時(shí)鐘	MAC → PHY
TX_CLK	100/10M發(fā)送時(shí)鐘	MAC → PHY
TX_ER	發(fā)送數(shù)據(jù)錯(cuò)誤	MAC → PHY
TX_EN	發(fā)送使能	MAC → PHY
TX_[7:0]	發(fā)送數(shù)據(jù)8bit	MAC → PHY
RX_CLK	接收時(shí)鐘	PHY → MAC
RX_DV	接收數(shù)據(jù)有效	PHY → MAC
RX_ER	接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤	PHY → MAC
RX_[7:0]	接收數(shù)據(jù)8bit	PHY → MAC
CRS	載波監(jiān)測	PHY → MAC
COL	沖突碰撞監(jiān)測	PHY → MAC
MDIO	管理數(shù)據(jù)	雙向
MDC	管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘	MAC → PHY

什么是RGMII

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精簡GMII接口。相對于GMII相比，RGMII具有如下特征：

發(fā)送/接收數(shù)據(jù)線由8條改為4條
TX_ER和TX_EN復(fù)用，通過TX_CTL傳送
RX_ER與RX_DV復(fù)用，通過RX_CTL傳送
1 Gbit/s速率下，時(shí)鐘頻率為125MHz
100 Mbit/s速率下，時(shí)鐘頻率為25MHz
10 Mbit/s速率下，時(shí)鐘頻率為2.5MHz

信號定義如下：

信號名稱	描述	方向
TXC	發(fā)送時(shí)鐘	MAC→PHY
TX_CTL	發(fā)送數(shù)據(jù)控制	MAC → PHY
TXD[3:0]	發(fā)送數(shù)據(jù)4bit	MAC → PHY
RXC	接收時(shí)鐘	PHY → MAC
RX_CTL	接收數(shù)據(jù)控制	PHY → MAC
RXD[3:0]	接收數(shù)據(jù)4bit	PHY → MAC
MDIO	管理數(shù)據(jù)	雙向
MDC	管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘	MAC → PHY

雖然RGMII信號線減半，但TXC/RXC時(shí)鐘仍為125Mhz，為了達(dá)到1000Mbit的傳輸速率，TXD/RXD信號線在時(shí)鐘上升沿發(fā)送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在時(shí)鐘下降沿發(fā)送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信號TX_CTL反應(yīng)了TX_EN和TX_ER狀態(tài)，即在TXC上升沿發(fā)送TX_EN,下降沿發(fā)送TX_ER，同樣的道理試用于RX_CTL，下圖為發(fā)送接收的時(shí)序：

什么是SMI

SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），通常直接被稱為MDIO接口（Management Data Input/Output Interface）。MDIO最早在IEEE 802.3的第22卷定義，后來在第45卷又定義了增強(qiáng)版本的MDIO，其主要被應(yīng)用于以太網(wǎng)的MAC和PHY層之間，用于MAC層器件通過讀寫寄存器來實(shí)現(xiàn)對PHY層器件的操作與管理。

MDIO主機(jī)（即產(chǎn)生MDC時(shí)鐘的設(shè)備）通常被稱為STA（Station Management Entity），而MDIO從機(jī)通常被稱為MMD（MDIO Management Device）。通常STA都是MAC層器件的一部分，而MMD則是PHY層器件的一部分。

MDIO接口包括兩條線，MDIO和MDC，其中MDIO是雙向數(shù)據(jù)線，而MDC是由STA驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘線。MDC時(shí)鐘的最高速率一般為2.5MHz，MDC也可以是非固定頻率，甚至可以是非周期的。MDIO接口只是會在MDC時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行采樣，而并不在意MDC時(shí)鐘的頻率（類似于I2C接口）。如下圖所示。

MDIO接口有兩個(gè)版本，通常被稱為卷22版本和卷45版本。卷22版本的MDIO接口最多支持連接32個(gè)MMD（PHY層設(shè)備），每個(gè)設(shè)備最多支持32個(gè)寄存器。卷45版本的MDIO接口最多支持連接32個(gè)MMD，32個(gè)設(shè)備類型，每個(gè)設(shè)備最多支持64K個(gè)寄存器。卷22版本的MDIO接口的數(shù)據(jù)幀格式如下：

具體每個(gè)bit描述如下：

卷45版本的MDIO接口的數(shù)據(jù)幀格式如下：

具體每個(gè)bit的描述如下：

如果是STA（MAC層設(shè)備）驅(qū)動(dòng)MDIO，則MDIO相對于MDC上升沿，至少要有10ns的建立時(shí)間（Setup Time）和10ns的保持時(shí)間（Hold Time）。如下圖所示：

如果MDIO是由MMD（PHY層設(shè)備）驅(qū)動(dòng)的，則MDIO相對于MDC的Tco（Clock to Output Delay）的范圍是0ns~300ns。如下圖所示：

實(shí)際上，MDC的頻率也并非一定是小于或等于2.5MHz，比如Marvell的88E1512最大支持12MHz的MDC：

IEEE 802.3建議同時(shí)對MDIO進(jìn)行下拉（下拉電阻建議為2k歐姆+5%），和上拉（上拉電阻建議為1.5k歐姆+5%），使得在TA時(shí)，MDIO處于中間態(tài)。但是并非所有的PHY器件都有這樣的要求，比如Marvell的88E1512只要求對MDIO進(jìn)行上拉即可，上拉電阻范圍為1.5k~10kΩ。

網(wǎng)卡的MAC和PHY間的關(guān)系?

網(wǎng)卡工作在osi的最后兩層,物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等,并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口.物理層的芯片稱之為PHY.

數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能.以太網(wǎng)卡中數(shù)據(jù)鏈路層的芯片稱之為MAC控制器.

很多網(wǎng)卡的這兩個(gè)部分是做到一起的.他們之間的關(guān)系是pci總線接mac總線,mac接phy,phy接網(wǎng)線(當(dāng)然也不是直接接上的,還有一個(gè)變壓裝置).

網(wǎng)卡上除RJ-45接口外,還需要其它元件嗎?

PHY和MAC是網(wǎng)卡的主要組成部分,網(wǎng)卡一般用RJ-45插口,10M網(wǎng)卡的RJ-45插口也只用了1,2,3,6四根針,而100M或1000M網(wǎng)卡的則是八根針都是全的.

除此以外,還需要其它元件,因?yàn)殡m然PHY提供絕大多數(shù)模擬支持,但在一個(gè)典型實(shí)現(xiàn)中,仍需外接6,7只分立元件及一個(gè)局域網(wǎng)絕緣模塊.絕緣模塊一般采用一個(gè)1：1的變壓器.這些部件的主要功能是為了保護(hù)PHY免遭由于電氣失誤而引起的損壞.

另外,一顆CMOS制程的芯片工作的時(shí)候產(chǎn)生的信號電平總是大于0V的(這取決于芯片的制程和設(shè)計(jì)需求),但是這樣的信號送到100米甚至更長的地方會有很大的直流分量的損失.而且如果外部網(wǎng)線直接和芯片相連的話,電磁感應(yīng)(打雷)和靜電,很容易造成芯片的損壞.再就是設(shè)備接地方法不同,電網(wǎng)環(huán)境不同會導(dǎo)致雙方的0V電平不一致,這樣信號從A傳到B,由于A設(shè)備的0V電平和B點(diǎn)的0V電平不一樣,這樣會導(dǎo)致很大的電流從電勢高的設(shè)備流向電勢低的設(shè)備.

為了解決以上問題Transformer(隔離變壓器)這個(gè)器件就應(yīng)運(yùn)而生.它把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號,并且通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端.這樣不但使網(wǎng)線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號,隔斷了信號中的直流分量,還可以在不同0V電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù).

隔離變壓器本身就是設(shè)計(jì)為耐2KV~3KV的電壓的.也起到了防雷感應(yīng)(我個(gè)人認(rèn)為這里用防雷擊不合適)保護(hù)的作用.有些朋友的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時(shí)容易被燒壞,大都是PCB設(shè)計(jì)不合理造成的,而且大都燒毀了設(shè)備的接口,很少有芯片被燒毀的,就是隔離變壓器起到了保護(hù)作用.

隔離變壓器本身是個(gè)被動(dòng)元件,只是把PHY的信號耦合了到網(wǎng)線上,并沒有起到功率放大的作用.那么一張網(wǎng)卡信號的傳輸?shù)淖铋L距離是誰決定的呢?

一張網(wǎng)卡的傳輸最大距離和與對端設(shè)備連接的兼容性主要是PHY決定的.但是可以將信號送的超過100米的PHY其輸出的功率也比較大,更容易產(chǎn)生EMI的問題.這時(shí)候就需要合適的Transformer與之配合.作PHY的老大公司Marvell的PHY,常常可以傳送180~200米的距離,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IEEE的100米的標(biāo)準(zhǔn).

RJ-45的接頭實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)卡和網(wǎng)線的連接.它里面有8個(gè)銅片可以和網(wǎng)線中的4對雙絞(8根)線對應(yīng)連接.其中100M的網(wǎng)絡(luò)中1,2是傳送數(shù)據(jù)的,3,6是接收數(shù)據(jù)的.1,2之間是一對差分信號,也就是說它們的波形一樣,但是相位相差180度,同一時(shí)刻的電壓幅度互為正負(fù).這樣的信號可以傳遞的更遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng).同樣的,3,6也一樣是差分信號.

網(wǎng)線中的8根線,每兩根扭在一起成為一對.我們制作網(wǎng)線的時(shí)候,一定要注意要讓1,2在其中的一對,3,6在一對.否則長距離情況下使用這根網(wǎng)線的時(shí)候會導(dǎo)致無法連接或連接很不穩(wěn)定.

現(xiàn)在新的PHY支持AUTO MDI-X功能(也需要Transformer支持).它可以實(shí)現(xiàn)RJ-45接口的1,2上的傳送信號線和3,6上的接收信號線的功能自動(dòng)互相交換.有的PHY甚至支持一對線中的正信號和負(fù)信號的功能自動(dòng)交換.這樣我們就不必為了到底連接某個(gè)設(shè)備需要使用直通網(wǎng)線還是交叉網(wǎng)線而費(fèi)心了.這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在交換機(jī)和SOHO路由器上.

在1000Basd-T網(wǎng)絡(luò)中,其中最普遍的一種傳輸方式是使用網(wǎng)線中所有的4對雙絞線,其中增加了4,5和7,8來共同傳送接收數(shù)據(jù).由于1000Based-T網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范包含了AUTOMDI-X功能,因此不能嚴(yán)格確定它們的傳出或接收的關(guān)系,要看雙方的具體的協(xié)商結(jié)果.

一片網(wǎng)卡主要功能的實(shí)現(xiàn)就基本上是上面這些器件了.

其他的,還有一顆EEPROM芯片,通常是一顆93C46.里面記錄了網(wǎng)卡芯片的供應(yīng)商ID,子系統(tǒng)供應(yīng)商ID,網(wǎng)卡的MAC地址,網(wǎng)卡的一些配置,如SMI總線上PHY的地址,BOOTROM的容量,是否啟用BOOTROM引導(dǎo)系統(tǒng)等東西.

很多網(wǎng)卡上還有BOOTROM這個(gè)東西.它是用于無盤工作站引導(dǎo)操作系統(tǒng)的.既然無盤,一些引導(dǎo)用必需用到的程序和協(xié)議棧就放到里面了,例如RPL,PXE等.實(shí)際上它就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI ROM.所以才會有一些硬盤寫保護(hù)卡可以通過燒寫網(wǎng)卡的BootRom來實(shí)現(xiàn).其實(shí)PCI設(shè)備的ROM是可以放到主板BIOS里面的.啟動(dòng)電腦的時(shí)候一樣可以檢測到這個(gè)ROM并且正確識別它是什么設(shè)備的.AGP在配置上和PCI很多地方一樣,所以很多顯卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面.這就是為什么板載的網(wǎng)卡我們從來沒有看到過BOOTROM的原因.

最后就是電源部分了.大多數(shù)網(wǎng)卡現(xiàn)在都使用3.3V或更低的電壓.有的是雙電壓的.因此需要電源轉(zhuǎn)換電路.

而且網(wǎng)卡為了實(shí)現(xiàn)Wake on line功能,必須保證全部的PHY和MAC的極少一部分始終處于有電的狀態(tài),這需要把主板上的5V Standby電壓轉(zhuǎn)換為PHY工作電壓的電路.在主機(jī)開機(jī)后,PHY的工作電壓應(yīng)該被從5V轉(zhuǎn)出來的電壓替代以節(jié)省5V Standby的消耗.(許多劣質(zhì)網(wǎng)卡沒有這么做).

有Wake on line功能的網(wǎng)卡一般還有一個(gè)WOL的接口.那是因?yàn)镻CI2.1以前沒有PCI設(shè)備喚醒主機(jī)的功能,所以需要著一根線通過主板上的WOL的接口連到南橋里面以實(shí)現(xiàn)WOL的功能.新的主板合網(wǎng)卡一般支持PCI2.2/2.3,擴(kuò)展了PME#信號功能,不需要那個(gè)接口而通過PCI總線就可以實(shí)現(xiàn)喚醒功能.

我們現(xiàn)在來看兩個(gè)圖

MAC和PHY分開的以太網(wǎng)卡

MAC和PHY集成在一顆芯片的以太網(wǎng)卡

上圖中各部件為:

①RJ-45接口

②Transformer(隔離變壓器)

③PHY芯片

④MAC芯片

⑤EEPROM

⑥BOOTROM插槽

⑦WOL接頭

⑧晶振

⑨電壓轉(zhuǎn)換芯片

⑩LED指示燈

網(wǎng)卡的功能主要有兩個(gè):一是將電腦的數(shù)據(jù)封裝為幀,并通過網(wǎng)線(對無線網(wǎng)絡(luò)來說就是電磁波)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去;二是接收網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備傳過來的幀,并將幀重新組合成數(shù)據(jù),發(fā)送到所在的電腦中.網(wǎng)卡能接收所有在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?但正常情況下只接受發(fā)送到該電腦的幀和廣播幀,將其余的幀丟棄.然后,傳送到系統(tǒng)CPU做進(jìn)一步處理.當(dāng)電腦發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),網(wǎng)卡等待合適的時(shí)間將分組插入到數(shù)據(jù)流中.接收系統(tǒng)通知電腦消息是否完整地到達(dá),如果出現(xiàn)問題,將要求對方重新發(fā)送.

PHY和MAC之間如何進(jìn)行溝通

通過IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)的MII/GigaMII（Media Independed Interfade，介質(zhì)獨(dú)立界面）界面連接MAC和PHY。這個(gè)界面是IEEE定義的。MII界面?zhèn)鬟f了網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的控制。

而MAC對PHY的工作狀態(tài)的確定和對PHY的控制則是使用SMI（Serial Management Interface）界面通過讀寫PHY的寄存器來完成的。PHY里面的部分寄存器也是IEEE定義的，這樣PHY把自己的目前的狀態(tài)反映到寄存器里面，MAC通過SMI總線不斷的讀取PHY的狀態(tài)寄存器以得知目前PHY的狀態(tài)，例如連接速度，雙工的能力等。當(dāng)然也可以通過SMI設(shè)置PHY的寄存器達(dá)到控制的目的，例如流控的打開關(guān)閉，自協(xié)商模式還是強(qiáng)制模式等。

我們看到了，不論是物理連接的MII界面和SMI總線還是PHY的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是有IEEE的規(guī)范的，因此不同公司的MAC和PHY一樣可以協(xié)調(diào)工作。當(dāng)然為了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驅(qū)動(dòng)需要做相應(yīng)的修改。

一片網(wǎng)卡主要功能的實(shí)現(xiàn)就基本上是上面這些器件了。

其他的，還有一顆EEPROM芯片，通常是一顆93C46。里面記錄了網(wǎng)卡芯片的供應(yīng)商ID、子系統(tǒng)供應(yīng)商ID、網(wǎng)卡的MAC地址、網(wǎng)卡的一些配置，如SMI總線上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否啟用BOOTROM引導(dǎo)系統(tǒng)等東西。

很多網(wǎng)卡上還有BOOTROM這個(gè)東西。它是用于無盤工作站引導(dǎo)操作系統(tǒng)的。

既然無盤，一些引導(dǎo)用必需用到的程序和協(xié)議棧就放到里面了，例如RPL、PXE等。實(shí)際上它就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI ROM。所以才會有一些硬盤寫保護(hù)卡可以通過燒寫網(wǎng)卡的BootRom來實(shí)現(xiàn)。

其實(shí)PCI設(shè)備的ROM是可以放到主板BIOS里面的。啟動(dòng)電腦的時(shí)候一樣可以檢測到這個(gè)ROM并且正確識別它是什么設(shè)備的。AGP在配置上和PCI很多地方一樣，所以很多顯卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面。這就是為什么板載的網(wǎng)卡我們從來沒有看到過BOOTROM的原因。

end

一口Linux?

關(guān)注，回復(fù)【1024】海量Linux資料贈(zèng)送

精彩文章合集

文章推薦

?【專輯】ARM

?【專輯】粉絲問答

?【專輯】所有原創(chuàng)

?【專輯】linux入門

?【專輯】計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

?【專輯】Linux驅(qū)動(dòng)

?【干貨】嵌入式驅(qū)動(dòng)工程師學(xué)習(xí)路線

?【干貨】Linux嵌入式所有知識點(diǎn)-思維導(dǎo)圖

登錄閱讀全文



免責(zé)聲明：該內(nèi)容由專欄作者授權(quán)發(fā)布或作者轉(zhuǎn)載，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。若內(nèi)容或圖片侵犯您的權(quán)益，請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。侵權(quán)投訴聯(lián)系：? nick.zong@aspencore.com！

一口Linux 寫點(diǎn)代碼,寫點(diǎn)人生!

進(jìn)入專欄

評論

一口Linux 寫點(diǎn)代碼,寫點(diǎn)人生!

文章：1650篇粉絲：130人

 私信

摸透以太網(wǎng)的PHY、MAC及其通信接口

從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理層接口PHY（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成。如下圖所示：

網(wǎng)卡的MAC和PHY間的關(guān)系?

網(wǎng)卡上除RJ-45接口外,還需要其它元件嗎?

PHY和MAC之間如何進(jìn)行溝通

最近文章

熱門文章

推薦

最新資訊