嵌入式开发之网卡--- Ethernet 以太网 MAC、MII、PHY、MDIO、IEEE802.3 详解

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pengkunfan 2022-01-12 16:57:08 博主文章分类：架构设计 ©著作权

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（1）、PHY　基本知识

（2）、MAC 概述

（3）、MDIO 接口

（4）、IEEE802.3 协议标准

（5）、MAC 、MII、PHY、MDIO之间的联系

（6）、MII 家族

对于MAC和PHY连接，我们称为 Forward (G)MII

对于MAC和MAC相连，叫 Reverse (G)MII

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ios 网络模型

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图phy

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图 mac

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mac 和phy 关联图

（1）、PHY　基本知识

PHY（（Physical Layer，PHY））是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（station management entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过SMI（Serial Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。

PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。包括MII/GMII(介质独立接口)子层、PCS(物理编码子层)、PMA(物理介质附加)子层、PMD(物理介质相关)子层、MDI子层。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范。

注：PHY寄存器在IEEE802.3标准的 22.2.4 Management functions 节有介绍，但不涉及所有寄存器，个别寄存器需要到其它章节中看，当然，文档里面也提到该在哪里找到哪个寄存器。

（2）、MAC 概述

MAC（Media Access Control）即媒体访问控制子层协议。该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器及 MAC通信以协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。MAC硬件大约就是下面的样子了：

网卡(Network Interface Card，简称NIC)，也称网络适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。无论是普通电脑还是高端服务器，只要连接到局域网，就都需要安装一块网卡。如果有必要，一台电脑也可以同时安装两块或多块网卡。

电脑之间在进行相互通讯时，数据不是以流而是以帧的方式进行传输的。我们可以把帧看做是一种数据包，在数据包中不仅包含有数据信息，而且还包含有数据的发送地、接收地信息和数据的校验信息。一块网卡包括OSI模型的两个层——物理层和数据链路层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

网卡的功能主要有两个:一是将电脑的数据封装为帧，并通过网线(对无线网络来说就是电磁波)将数据发送到网络上去;二是接收网络上其它设备传过来的帧，并将帧重新组合成数据，发送到所在的电脑中。网卡能接收所有在网络上传输的信号，但正常情况下只接受发送到该电脑的帧和广播帧，将其余的帧丢弃。然后，传送到系统CPU做进一步处理。当电脑发送数据时，网卡等待合适的时间将分组插入到数据流中。接收系统通知电脑消息是否完整地到达，如果出现问题，将要求对方重新发送。

需要说明的是网卡芯片也有“软硬”之分，特别是对与主板板载(LOM)的网卡芯片来说更是如此，这是怎么回事呢?大家知道，以太网接口可分为协议层和物理层。

协议层是由一个叫MAC(Media Access Layer，媒体访问层)控制器的单一模块实现。

物理层由两部分组成，即PHY(Physical Layer，物理层)和传输器。

常见的网卡芯片都是把MAC和PHY集成在一个芯片中，但目前很多主板的南桥芯片已包含了以太网MAC控制功能，只是未提供物理层接口，因此，需外接PHY芯片以提供以太网的接入通道。这类PHY网络芯片就是俗称的“软网卡芯片”，常见的PHY功能的芯片有RTL8201BL、VT6103等等。

“软网卡”一般将网络控制芯片的运算部分交由处理器或南桥芯片处理，以简化线路设计，从而降低成本，但其多少会更多占用系统资源

（3）、MDIO 接口

MDIO（Management Data Input/Output）,对G比特以太网而言，串行通信总线称为管理数据输入输出 (MDIO)。该总线由IEEE通过以太网标准IEEE 802.3的若干条款加以定义。 MDIO是一种简单的双线串行接口(2个管脚：MDC和MDIO)，将管理器件(如MAC控制器、微处理器)与具备管理功能的收发器 (如多端口吉比特以太网收发器或 10GbE XAUI收发器)相连接，从而控制收发器并从收发器收集状态信息。可收集的信息包括链接状态、传输速度与选择、断电、低功率休眠状态、TX/RX模式选择、自动协商控制、环回模式控制等。除了拥有 IEEE 要求的功能之外，收发器厂商还可添加更多的信息收集功能。

MDC是管理数据的时钟输入，最高速率可达8.3MHz。 MDIO是管理数据的输入输出双向接口，数据是与MDC时钟同步的。

MDIO的工作流程为： MDIO接口在没有传输数据的空闲状态（IDLE）数据线MDIO处于高阻态。 MDIO出现一个2bit的开始标识码(01)一个读/写操作开始。 MDIO出现一个2bit数据来标识是读操作(10)还是写操作(01)。 MDIO出现一个5bit数据标识PHY的地址。 MDIO出现一个5bitPHY寄存器地址。 MDIO需要2个时钟的访问时间。 MDIO串行读出/写入16bit的寄存器数据。 MDIO恢复成IDLE状态，同时MDIO进入高阻状态。

管理配置:(控制和状态信息) MDC——配置接口时钟 MDIO——配置接口I/O 管理配置接口控制PHY的特性。该接口有32个寄存器地址，每个地址16位。其中前16个已经在“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中规定了用途，其余的则由各器件自己指定。

（4）、IEEE802.3 协议标准

第一部分大致是10Mb/s以太网（其中有关于MAC的规范），第二部分是100BASE-T 100Mb/s基带网络介绍，第三部分是1000 Mb/s基带网络介绍，第四部分是10 Gb/s基带网络介绍。但是，并不是说每部分都是独立的。

（5）、MAC 、MII、PHY、MDIO之间的联系

工作过程：

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据(对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC)，每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。现在来了解PHY的输出后面部分。一颗CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于0V的(这取决于芯片的制程和设计需求)，但是这样的信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部网现直接和芯片相连的话，电磁感应(打雷)和静电，很容易造成芯片的损坏。

再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。我们如何解决这个问题呢？

这时就出现了Transformer(隔离变压器)这个器件。它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。

隔离变压器本身就是设计为耐2KV~3KV的电压的。也起到了防雷感应(我个人认为这里用防雷击不合适)保护的作用。有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是隔离变压器起到了保护作用。

10BaseT和100BaseTXPHY实现方式不同：10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。

曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示”1”，从低到高跳变表示”0”。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示”0”或”1”，有跳变为”0”，无跳变为”1”。

phy 和mac 的区别：

PHY 里面的部分寄存器是IEEE定义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里面，MAC 通过SMI 总线不断的读取PHY 的状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的MII总线和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是由IEEE的规范的。因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。

MII支持10Mbps和100Mbps的操作，一个接口由14根线组成，它的支持还是比较灵活的。但是有一个缺点是因为它一个端口用的信号线太多，如果一个8端口的交换机要用到112根线，16端口就要用到224根线，到32端口的话就要用到448根线。一般按照这个接口做交换机是不太现实的。所以现代的交换机的制作都会用到其它的一些从MII简化出来的标准，比如RMII、SMII、GMII等。

（6）、MII 家族

MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。"媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。MII接口如下图所示：

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