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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 ，媒體獨立接口），以及MII的各種衍生版本——GMII、SGMII、RMII、RGMII等。
01
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：
DMA控制器通常屬于CPU的一部分，用虛線放在這里是為了表示DMA控制器可能會參與到網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸中。
但是，在實際的設(shè)計中，以上三部分并不一定獨立分開的。由于，PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數(shù)字器件。考慮到芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，通常，將MAC集成進微控制器而將PHY留在片外。更靈活、密度更高的芯片技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合。可分為下列幾種類型:
CPU集成MAC與PHY。目前來說并不多見
CPU集成MAC，PHY采用獨立芯片。比較常見
MD遭受了一起嚴重的黑客入侵事件，黑客Intelbroker 大規(guī)模泄漏了AMD的數(shù)據(jù)。AMD當即發(fā)起了調(diào)查，在一份聲明中表示：“我們正在與執(zhí)法官員和第三方托管合作伙伴密切合作，調(diào)查該指控和數(shù)據(jù)的意義。”
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：
02
什么是MAC
MAC（Media Access Control）即媒體訪問控制子層協(xié)議。
該部分有兩個概念：MAC可以是一個硬件控制器 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，主要負責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)的時候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，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)標準定義。
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層其實包含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界面以實現(xiàn)和主機的數(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。
這個幀里面包括了目標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DWORD(4Byte)的CRC碼。
可是目標的MAC地址是哪里來的呢？
這牽扯到一個ARP協(xié)議(介乎于網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的一個協(xié)議)。第一次傳送某個目的IP地址的數(shù)據(jù)的時候，先會發(fā)出一個ARP包，其MAC的目標地址是廣播地址，里面說到：“誰是xxx.xxx.xxx.xxx這個IP地址的主人？”
因為是廣播包，所有這個局域網(wǎng)的主機都收到了這個ARP請求。收到請求的主機將這個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響應包。
這個IP地址的主機收到這個ARP請求包后回復的ARP響應里說到：“我是這個IP地址的主人”。這個包里面就包括了他的MAC地址。以后的給這個IP地址的幀的目標MAC地址就被確定了。(其它的協(xié)議如IPX/SPX也有相應的協(xié)議完成這些操作)。
IP地址和MAC地址之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系保存在主機系統(tǒng)里面，叫做ARP表。由驅(qū)動程序和操作系統(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)幀的時候也是一樣，做完CRC校驗以后，如果沒有CRC效驗錯誤，就把幀頭去掉，把數(shù)據(jù)包拿出來通過標準的接口傳遞給驅(qū)動和上層的協(xié)議棧。最終正確的達到我們的應用程序。
還有一些控制幀，例如流控幀也需要MAC直接識別并執(zhí)行相應的行為。
以太網(wǎng)MAC芯片的一端接計算機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MAC的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
03
什么是PHY
PHY（（Physical Layer，PHY））是IEEE802.3中定義的一個標準模塊，STA（station management entity，管理實體，一般為MAC或CPU）通過SMI（Serial Manage Interface）對PHY的行為、狀態(tài)進行管理和控制，而具體管理和控制動作是通過讀寫PHY內(nèi)部的寄存器實現(xiàn)的。一個PHY的基本結(jié)構(gòu)如下圖：
PHY是物理接口收發(fā)器，它實現(xiàn)OSI模型的物理層。
IEEE-802.3標準定義了以太網(wǎng)PHY。包括MII/GMII(介質(zhì)獨立接口)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標準的 22.2.4 Management functions 節(jié)有介紹，但不涉及所有的寄存器，個別寄存器需要到其它章節(jié)中看，當然，文檔里面也提到該在哪里找到哪個寄存器。
04
什么是MII
MII（Media Independent Interface）即媒體獨立接口，MII 接口是 MAC 與 PHY 連接的標準接口。它是 IEEE-802.3 定義的以太網(wǎng)行業(yè)標準。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：
“媒體獨立” 表明在不對 MAC 硬件重新設(shè)計或替換的情況下，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 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)標準802.3的22.3 Signal timing characteristics節(jié)，其中包含時鐘信號等更詳細內(nèi)容。
MII接口主要包括四個部分。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 包括一個數(shù)據(jù)接口，以及一個 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立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時鐘和控制信號。MII 數(shù)據(jù)接口總共需要 16 個信號，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 有效超過一個時鐘周期，并且此時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 TX_ER 有效并不影響工作在 10Mb/s 的 PHY 或者 TX_EN 無效時的數(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，同步于 TX_CLK，在 TX_CLK 的時鐘周期內(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 上升沿同步進行轉(zhuǎn)換。
TX_CLK（transmit clock）：TX_CLK (Transmit Clock) 是一個連續(xù)的時鐘信號（即系統(tǒng)啟動，該信號就一直存在），它是 TX_EN、TXD、TX_ER（信號方向為從 RS 到 PHY）的參考時鐘，TX_CLK 由 PHY 驅(qū)動 TX_CLK 的時鐘頻率是數(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，同步于 RX_CLK，在 RX_CLK 的時鐘周期內(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?/p>
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）的參考時鐘。RX_CLK 同樣是由 PHY 驅(qū)動，PHY 可能從接收到的數(shù)據(jù)中提取時鐘 RX_CLK，也有可能從一個名義上的參考時鐘(e.g., the TX_CLK reference)來驅(qū)動RX_CLK。
CRS（carrier sense）：CRS 不需要同步于參考時鐘，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，它的作用如同于發(fā)送通道中的 TX_EN，不同的是在時序上稍有一點差別：為了讓數(shù)據(jù)能夠成功被RS接收，要求RXD_DV有效的時間必須覆蓋整個 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，時鐘速率25MHz。其工作速率可達100Mb/s。
MII 管理接口：?是個雙信號接口，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。一個是時鐘信號（***MDC (management data clock)）。另一個是數(shù)據(jù)信號（MDIO (management data input/output)***）。
MDC：?由站管理實體向 PHY 提供，作為在 MDIO 信號上傳送信息的定時參考。MDC 是一種非周期性的信號，沒有最高或最低時間。無論 TX_CLK 和 RX_CLK 的標稱周期如何，MDC 的最小高低時間應為 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)動并且由 PHY 同步地采樣。狀態(tài)信息由 PHY 針對 MDC 同步驅(qū)動并由 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。
當然也可以通過 SMI 設(shè)置 PHY的寄存器達到控制的目的。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。當然為了配合不同公司的 PHY 的自己特有的一些功能，驅(qū)動需要做相應的修改。
MII 支持 10Mbps 和 100Mbps 的操作，一個接口由 14 根線組成，它的支持還是比較靈活的。
但是有一個缺點是因為它一個端口用的信號線太多，如果一個 8 端口的交換機要用到 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。
一般按照這個接口做交換機是不太現(xiàn)實的。所以現(xiàn)代的交換機的制作都會用到其它的一些從 MII 簡化出來的標準，比如 RMII、SMII、GMII等。
05
什么是RMII
簡化媒體獨立接口是標準的以太網(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！
06
什么是GMII
GMII是千兆網(wǎng)的MII接口，這個也有相應的RGMII接口，表示簡化了的GMII接口。GMII 采用 8 位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達 1000Mbps。同時兼容 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)標準，該接口定義見 IEEE 802.3-2000。
07
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復用，通過TX_CTL傳送
RX_ER與RX_DV復用，通過RX_CTL傳送
1 Gbit/s速率下，時鐘頻率為125MHz
100 Mbit/s速率下，時鐘頻率為25MHz
10 Mbit/s速率下，時鐘頻率為2.5MHz
信號定義如下：
雖然RGMII信號線減半，但TXC/RXC時鐘仍為125Mhz，為了達到1000Mbit的傳輸速率，TXD/RXD信號線在時鐘上升沿發(fā)送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在時鐘下降沿發(fā)送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信號TX_CTL反應了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)送接收的時序：
08
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卷又定義了增強版本的MDIO，其主要被應用于以太網(wǎng)的MAC和PHY層之間，用于MAC層器件通過讀寫寄存器來實現(xiàn)對PHY層器件的操作與管理。
MDIO主機（即產(chǎn)生MDC時鐘的設(shè)備）通常被稱為STA（Station Management Entity），而MDIO從機通常被稱為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)動的時鐘線。MDC時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時鐘的上升沿進行采樣，而并不在意MDC時鐘的頻率（類似于I2C接口）。如下圖所示。
MDIO接口有兩個版本，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MMD（PHY層設(shè)備），每個設(shè)備最多支持32個寄存器。卷45版本的MDIO接口最多支持連接32個MMD，32個設(shè)備類型，每個設(shè)備最多支持64K個寄存器。卷22版本的MDIO接口的數(shù)據(jù)幀格式如下：
具體每個bit描述如下：
卷45版本的MDIO接口的數(shù)據(jù)幀格式如下：
如果是STA（MAC層設(shè)備）驅(qū)動MDIO，則MDIO相對于MDC上升沿，至少要有10ns的建立時間（Setup Time）和10ns的保持時間（Hold Time）。如下圖所示：
如果MDIO是由MMD（PHY層設(shè)備）驅(qū)動的，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建議同時對MDIO進行下拉（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，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進行上拉即可，上拉電阻范圍為1.5k~10kΩ。
來源：一口Linux
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