以太網(wǎng)——PHY、MAC、MII與網(wǎng)卡

網(wǎng)卡(Network Interface Card，簡(jiǎn)稱NIC)，也稱網(wǎng)絡(luò)適配器，是電腦與局域網(wǎng)相互連接的設(shè)備。只要連接到局域網(wǎng)就需要網(wǎng)卡。一個(gè)網(wǎng)卡主要包括OSI的最下面兩層，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層的芯片稱之為PHY，數(shù)據(jù)鏈路層的芯片稱之為MAC控制器。

本文旨在學(xué)習(xí)以太網(wǎng)基礎(chǔ)MAC和PHY的知識(shí)，總結(jié)系統(tǒng)框架和物理硬件組成原理，了解各種接口。

PHY & MAC & MII

PHY

PHY 是物理接口收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)物理層。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。定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、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。

MAC

MAC 是 Media Access Control 的縮寫，即媒體訪問控制子層協(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)。

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 層。以太網(wǎng) MAC 由 IEEE-802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。

MII

MII即媒體獨(dú)立接口，也叫介質(zhì)無關(guān)接口。它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它包括一個(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(hào)。

MII數(shù)據(jù)接口總共需16個(gè)信號(hào)。管理接口是個(gè)雙信號(hào)接口：一個(gè)是時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)是數(shù)據(jù)信號(hào)。通過管理接口，上層能監(jiān)視和控制PHY。

由此可見，MAC 和 PHY，一個(gè)是數(shù)據(jù)鏈路層，一個(gè)是物理層;兩者通過 MII 傳送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)組成

從硬件的角度來分析，以太網(wǎng)的電路接口一般由CPU、MAC(Media Access Control)控制器和物理層接口PHY組成：

對(duì)于上述三部分，并不一定都是獨(dú)立的芯片，主要有以下幾種情況：(1)CPU內(nèi)部集成了MAC和PHY，難度較高;(2)CPU內(nèi)部集成MAC，PHY采用獨(dú)立芯片(主流方案);(3)CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用獨(dú)立芯片或者集成芯片(高端采用)。

PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數(shù)字器件，芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，是將MAC集成進(jìn)微控制器而將PHY留在片外的原因。更靈活、密度更高的芯片技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合。

以常用的CPU內(nèi)部集成MAC，PHY采用獨(dú)立的芯片方案為例，虛線內(nèi)表示CPU和MAC集成在一起，PHY芯片通過MII接口與CPU上的MAC互聯(lián)。

對(duì)于這種方案，其硬件方案比獨(dú)立的更簡(jiǎn)單，PHY與MAC之間有以下兩個(gè)重要的硬件接口：(1)MDIO總線接口，主要是完成CPU對(duì)于PHY芯片的寄存器配置;(2)MII即媒體獨(dú)立接口，也叫介質(zhì)無關(guān)接口。常見的有MII、RMII、GMII、RGMII等。“媒體獨(dú)立”表明在不對(duì) 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。MII 數(shù)據(jù)接口總共需要16個(gè)信號(hào)，包括:

transmit data - TXD[3:0]

transmit strobe - TX_EN

transmit clock - TX_CLK

transmit error - TX_ER/TXD4

receive data - RXD[3:0]

receive strobe - RX_DV

receive clock - RX_CLK

receive error - RX_ER/RXD4

collision indication - COL

carrier sense - CRS

一般說來，包括IC 對(duì) PHY 作讀取與寫入用的一組信號(hào)：MDC(clock)，MDIO(data) 作為 data sampling reference 用的兩組 clock，頻率應(yīng)為 25MHz(TX_CLK,RX_CLK)各4-bit 的輸出、輸入 Bus(TX[0:3],RX[0:3]);通知對(duì)方準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)的輸出、輸入的啟動(dòng)信號(hào)(TX_EN);輸出、輸入的錯(cuò)誤通知信號(hào)(TX_ER,RX_ER);得到有效輸入數(shù)據(jù)的通知信號(hào)(RX_DV);網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的 colision 信號(hào)(Col)。做為 carrier 回復(fù)用的信號(hào)(CRS)，電位可使用+5V 或+3.3V。

MII 以 4bit，即半字節(jié)方式雙向傳送數(shù)據(jù)，時(shí)鐘速率 25MHz，其工作速率可達(dá) 100Mb/s。MII傳遞了網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的控制，而 MAC對(duì)PHY 的工作狀態(tài)的確定和對(duì) 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 總線不斷地讀取 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，例如流控地打開關(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。

SMI

SMI是MAC內(nèi)核訪問PHY寄存器接口，它由兩根線組成、雙工，MDC為時(shí)鐘，MDIO為雙向數(shù)據(jù)通信，原理上跟I2C總線很類似，也可以通過總線訪問多個(gè)不同的PHY。

MDC/MDIO基本特性：

兩線制：MDC(時(shí)鐘線)和MDIO(數(shù)據(jù)線)。

時(shí)鐘頻率：2.5MHz

通信方式：總線制，可同時(shí)接入的PHY數(shù)量為32個(gè)

通過SMI接口，MAC芯片主動(dòng)地輪詢PHY層芯片，獲得狀態(tài)信息，并發(fā)出命令信息。

后來為了支持千兆網(wǎng)口，也就開始有了千兆網(wǎng)的MII接口，也就是GMII接口?，F(xiàn)在比較常用的是RGMII，減小了MAC和PHY之間的引腳數(shù)量。數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)混合在一起，并且在工作時(shí)鐘的上升沿和下降沿同時(shí)采樣，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：10M帶寬對(duì)應(yīng)的是2.5MHz，因?yàn)?bit*2.5M=10Mbps100M帶寬對(duì)應(yīng)的是25MHz，因?yàn)?bit*25M=100Mbps1000M帶寬對(duì)應(yīng)的是125MHz，4bit*125M=1000Mbps，因?yàn)?50MHz頻率太高，所以采用雙邊沿采樣技術(shù)(會(huì)帶來設(shè)計(jì)復(fù)雜度)。

審核編輯：湯梓紅