PHY

PHY簡介

　　PHY指物理層，OSI的最底層。 一般指與外部信號接口的芯片。 以太網(wǎng)PHY芯片 。小小的不起眼但又無處不在的網(wǎng)卡。如果在5年前，或許網(wǎng)卡與您無關(guān)，但在如今這網(wǎng)絡(luò)的時代，無論是上網(wǎng)沖浪還是聯(lián)網(wǎng)玩游戲，都離不開網(wǎng)卡，更何況，就算您不食人間煙火，多數(shù)主板上也會為您集成一塊板載網(wǎng)卡。所以，對于想邁入網(wǎng)絡(luò)之門的讀者而言，先認(rèn)識網(wǎng)卡，會讓您在進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時更得心應(yīng)手。

　　網(wǎng)卡工作在osi的第一層和第二層，物理層（phy）和數(shù)據(jù)鏈路層（llc）。

　　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構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯檢查、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。

PHY百科

　　PHY指物理層，OSI的最底層。 一般指與外部信號接口的芯片。 以太網(wǎng)PHY芯片 。小小的不起眼但又無處不在的網(wǎng)卡。如果在5年前，或許網(wǎng)卡與您無關(guān)，但在如今這網(wǎng)絡(luò)的時代，無論是上網(wǎng)沖浪還是聯(lián)網(wǎng)玩游戲，都離不開網(wǎng)卡，更何況，就算您不食人間煙火，多數(shù)主板上也會為您集成一塊板載網(wǎng)卡。所以，對于想邁入網(wǎng)絡(luò)之門的讀者而言，先認(rèn)識網(wǎng)卡，會讓您在進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時更得心應(yīng)手。

　　網(wǎng)卡工作在osi的第一層和第二層，物理層（phy）和數(shù)據(jù)鏈路層（llc）。

　　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構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯檢查、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。

　　應(yīng)用

　　很多網(wǎng)卡的這兩個部分是做到一起的。

　　他們之間的關(guān)系是pci總線接mac總線，mac接phy，phy接網(wǎng)線

　　網(wǎng)口掃盲三：以太網(wǎng)芯片MAC和PHY的關(guān)系

　　問：如何實現(xiàn)單片以太網(wǎng)微控制器？

　　答：訣竅是將微控制器、以太網(wǎng)媒體接入控制器（MAC）和物理接口收發(fā)器（PHY）整合進(jìn)同一芯片，這樣能去掉許多外接元器件。這種方案可使MAC和PHY實現(xiàn)很好的匹配，同時還可減小引腳數(shù)、縮小芯片面積。單片以太網(wǎng)微控制器還降低了功耗，特別是在采用掉電模式的情況下。

　　問：以太網(wǎng)MAC是什么？

　　答：MAC即Media Access Control，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。最新的MAC同時支持10Mbps和100Mbps兩種速率。

　　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(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(biāo)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(yīng)包。這個IP地址的主機收到這個ARP請求包后回復(fù)的ARP響應(yīng)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(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(biāo)準(zhǔn)的借口傳遞給驅(qū)動和上層的協(xié)議客棧，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。

　　問：什么是MII？

　　答：MII即媒體獨立接口，它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。“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。它包括一個數(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，TXD《3:0》，TX_EN，TX_CLK， COL，RXD《3:0》，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV等.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(dá)100Mb/s;

　　MII管理接口是個雙信號接口，一個是時鐘信號，另一個是數(shù)據(jù)信號。通過管理接口，上層能監(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.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)動需要做相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，比如RMII，SMII，GMII等。

　　RMII是簡化的MII接口，在數(shù)據(jù)的收發(fā)上它比MII接口少了一倍的信號線，所以它一般要求是50MHz的總線時鐘.RMII一般用在多端口的交換機，它不是每個端口安排收，發(fā)兩個時鐘，而是所有的數(shù)據(jù)端口公用一個時鐘用于所有端口的收發(fā)，這里就節(jié)省了不少的端口數(shù)目.RMII的一個端口要求7個數(shù)據(jù)線，比MII少了一倍，所以交換機能夠接入多一倍數(shù)據(jù)的端口。和MII一樣，RMII支持10Mbps和100Mbps的總線接口速度。

　　SMII是由思科提出的一種媒體接口，它有比RMII更少的信號線數(shù)目，S表示串行的意思。因為它只用一根信號線傳送發(fā)送數(shù)據(jù)，一根信號線傳輸接受數(shù)據(jù)，所以為了滿足100Mbps的總線接口速度的需求，它的時鐘頻率就達(dá)到了125MHz，為什么用125MHz，是因為數(shù)據(jù)線里面會傳送一些控制信息.SMII一個端口僅用4根信號線完成100Mbps的傳輸，比起RMII差不多又少了一倍的信號線.SMII在工業(yè)界的支持力度是很高的。同理，所有端口的數(shù)據(jù)收發(fā)都公用同一個外部的125MHz時鐘。

　　GMII是千兆網(wǎng)的MII接口，這個也有相應(yīng)的RGMII接口，表示簡化了的GMII接口。

　　MII總線

　　在IEEE802.3中規(guī)定的MII總線是一種用于將不同類型的PHY與相同網(wǎng)絡(luò)控制器（MAC）相連接的通用總線。網(wǎng)絡(luò)控制器可以用同樣的硬件接口與任何PHY 。

　　GMII（Gigabit MII）

　　GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。該接口定義見IEEE 802.3-2000.

　　發(fā)送器：

　　GTXCLK——吉比特TX.。信號的時鐘信號（125MHz）

　　TXCLK——10/100Mbps信號時鐘

　　TXD［7..0］——被發(fā)送數(shù)據(jù)

　　TXEN——發(fā)送器使能信號

　　TXER——發(fā)送器錯誤（用于破壞一個數(shù)據(jù)包）

　　注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號，TXD，TXEN，TXER信號與此時鐘信號同步。否則，在10/100Mbps速率下，PHY提供TXCLK時鐘信號，其它信號與此信號同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡(luò)）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡(luò)）。

　　接收器：

　　RXCLK——接收時鐘信號（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無關(guān)聯(lián)）

　　RXD［7..0］——接收數(shù)據(jù)

　　RXDV——接收數(shù)據(jù)有效指示

　　RXER——接收數(shù)據(jù)出錯指示

　　COL——沖突檢測（僅用于半雙工狀態(tài)）

　　管理配置

　　MDC——配置接口時鐘

　　MDIO——配置接口I/O

　　管理配置接口控制PHY的特性。該接口有32個寄存器地址，每個地址16位。其中前16個已經(jīng)在“IEEE 802.3，2000-22.2.4 Management Functions”中規(guī)定了用途，其余的則由各器件自己指定。

　　RMII（Reduced Media Independant Interface）

　　簡化媒體獨立接口

　　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(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！

　　問：以太網(wǎng)PHY是什么？

　　答：PHY是物理接口收發(fā)器，它實現(xiàn)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。

　　PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC.對于100BaseTX因為使用4B/5B編碼，每4bit就增加1bit的檢錯碼），然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號把數(shù)據(jù)送出去。收數(shù)據(jù)時的流程反之.PHY還有個重要的功能就是實現(xiàn)CSMA/CD的部分功能。它可以檢測到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中就等待，一旦檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑，再等待一個隨機時間后將送數(shù)據(jù)出去。如果兩個碰巧同時送出了數(shù)據(jù)，那樣必將造成沖突，這時候，沖突檢測機構(gòu)可以檢測到?jīng)_突，然后各等待一個隨機的時間重新發(fā)送數(shù)據(jù)。這個隨機時間很有講究的，并不是一個常數(shù)，在不同的時刻計算出來的隨機時間都是不同的，而且有多重算法來應(yīng)付出現(xiàn)概率很低的同兩臺主機之間的第二次沖突。

　　許多網(wǎng)友在接入Internt寬帶時，喜歡使用”搶線”強的網(wǎng)卡，就是因為不同的PHY碰撞后計算隨機時間的方法設(shè)計上不同，使得有些網(wǎng)卡比較”占便宜”。不過，搶線只對廣播域的網(wǎng)絡(luò)而言的，對于交換網(wǎng)絡(luò)和ADSL這樣點到點連接到局端設(shè)備的接入方式?jīng)]什么意義。而且”搶線”也只是相對而言的，不會有質(zhì)的變化。

　　現(xiàn)在交換機的普及使得交換網(wǎng)絡(luò)的普及，使得沖突域網(wǎng)絡(luò)少了很多，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。但是如果用HUB，或者共享帶寬接入Internet的時候還是屬于沖突域網(wǎng)絡(luò)，有沖突碰撞的。交換機和HUB最大的區(qū)別就是：一個是構(gòu)建點到點網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)交換設(shè)備，一個是構(gòu)建沖突域網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)互連設(shè)備。

　　除此之外PHY還提供了和對端設(shè)備連接的重要功能并通過LED燈顯示出自己目前的連接的狀態(tài)和工作狀態(tài)讓我們知道。當(dāng)我們給網(wǎng)卡接入網(wǎng)線的時候，PHY不斷發(fā)出的脈沖信號檢測到對端有設(shè)備，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的”語言”交流，互相協(xié)商并卻定連接速度、雙工模式、是否采用流控等。通常情況下，協(xié)商的結(jié)果是兩個設(shè)備中能同時支持的最大速度和最好的雙工模式。這個技術(shù)被稱為AutoNegotiation或者NWAY，它們是一個意思–自動協(xié)商。

　　具體傳輸過程為，發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)卡首先偵聽介質(zhì)上是否有載波（載波由電壓指示），如果有，則認(rèn)為其他站點正在傳送信息，繼續(xù)偵聽介質(zhì)。一旦通信介質(zhì)在一定時間段內(nèi)（稱為幀間縫隙IFG=9.6微秒）是安靜的，即沒有被其他站點占用，則開始進(jìn)行幀數(shù)據(jù)發(fā)送，同時繼續(xù)偵聽通信介質(zhì)，以檢測沖突。在發(fā)送數(shù)據(jù)期間，如果檢測到?jīng)_突，則立即停止該次發(fā)送，并向介質(zhì)發(fā)送一個“阻塞”信號，告知其他站點已經(jīng)發(fā)生沖突，從而丟棄那些可能一直在接收的受到損壞的幀數(shù)據(jù)，并等待一段隨機時間（CSMA/CD確定等待時間的算法是二進(jìn)制指數(shù)退避算法）。在等待一段隨機時間后，再進(jìn)行新的發(fā)送。如果重傳多次后（大于16次）仍發(fā)生沖突，就放棄發(fā)送。接收時，網(wǎng)卡瀏覽介質(zhì)上傳輸?shù)拿總€幀，如果其長度小于64字節(jié)，則認(rèn)為是沖突碎片。如果接收到的幀不是沖突碎片且目的地址是本地地址，則對幀進(jìn)行完整性校驗，如果幀長度大于1518字節(jié)（稱為超長幀，可能由錯誤的LAN驅(qū)動程序或干擾造成）或未能通過CRC校驗，則認(rèn)為該幀發(fā)生了畸變。通過校驗的幀被認(rèn)為是有效的，網(wǎng)卡將它接收下來進(jìn)行本地處理。

　　問：造成以太網(wǎng)MAC和PHY單片整合難度高的原因是什么？

　　答：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)是為什么先將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)可以實現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合。

　　問： 網(wǎng)卡上除RJ-45接口外，還需要其它元件嗎？

　　答：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，因為雖然PHY提供絕大多數(shù)模擬支持，但在一個典型實現(xiàn)中，仍需外接6，7只分立元件及一個局域網(wǎng)絕緣模塊。絕緣模塊一般采用一個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）這個器件就應(yīng)運而生。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)計為耐2KV~3KV的電壓的。也起到了防雷感應(yīng)（我個人認(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)備在雷雨天氣時容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計不合理造成的，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被動元件，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的接頭實現(xiàn)了網(wǎng)卡和網(wǎng)線的連接。它里面有8個銅片可以和網(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。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)信號的功能自動交換。這樣我們就不必為了到底連接某個設(shè)備需要使用直通網(wǎng)線還是交叉網(wǎng)線而費心了。這項技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在交換機和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。實際上它就是一個標(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來實現(xiàn)。其實PCI設(shè)備的ROM是可以放到主板BIOS里面的。啟動電腦的時候一樣可以檢測到這個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。在主機開機后，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WOL的接口。那是因為PCI2.1以前沒有PCI設(shè)備喚醒主機的功能，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，不需要那個接口而通過PCI總線就可以實現(xiàn)喚醒功能。

　　我們現(xiàn)在來看兩個圖

　　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）

　?、跴HY芯片

　?、躆AC芯片

　　⑤EEPROM

　?、轇OOTROM插槽

　　⑦WOL接頭

　?、嗑д?/p>

　?、犭妷恨D(zhuǎn)換芯片

　?、釲ED指示燈

　　網(wǎng)卡的功能主要有兩個：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，網(wǎng)卡等待合適的時間將分組插入到數(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。

　　問：10BaseT和100BaseTX PHY實現(xiàn)方式不同的原因何在？

　　答：兩種實現(xiàn)的分組描述本質(zhì)上是一樣的，但兩者的信令機制完全不同。其目的是阻止一種硬件實現(xiàn)容易地處理兩種速度.10BaseT采用曼徹斯特編碼，100BaseTX采用4B/5B編碼。

　　問：什么是曼徹斯特編碼？

　　答：曼徹斯特編碼又稱曼徹斯特相位編碼，它通過相位變化來實現(xiàn)每個位（圖2）。通常，用一個時鐘周期中部的上升沿表示“1”，下降沿表示“0”。周期末端的相位變化可忽略不計，但有時又可能需要將這種相位變化計算在內(nèi)，這取決于前一位的值。

　　問：什么是4B/5B編碼？

　　答：4B/5B編碼是一種塊編碼方式。它將一個4位的塊編碼成一個5位的塊。這就使5位塊內(nèi)永遠(yuǎn)至少包含2個“1”轉(zhuǎn)換，所以在一個5位塊內(nèi)總能進(jìn)行時鐘同步。該方法需要25%的額外開銷。

　　問：網(wǎng)卡的MAC和PHY間的關(guān)系？

　　答：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構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯檢查、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，還有一個變壓裝置）。

　　PHY和MAC之間是如何傳送數(shù)據(jù)和相互溝通的。通過IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)的MII/GigaMII（Media Independed Interfade，介質(zhì)獨立界面）界面連接MAC和PHY.這個界面是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.ETHERNET的接口實質(zhì)是MAC通過MII總線控制PHY的過程。

　　問：網(wǎng)線上傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號？

　　答：是模擬信號。因為它傳出和接收是采用的模擬的技術(shù)。雖然它傳送的信息是數(shù)字的（并不是傳送的信息是數(shù)字的信號就可以叫做數(shù)字信號）。

　　簡單的例子：我們知道電話是模擬信號，但是當(dāng)我們撥號上網(wǎng)的時候，電話線里傳送的是數(shù)字信息，但信號本身依舊是模擬的。然而ADSL同樣是通過電話線傳送的，卻是數(shù)字信號。這取決于它傳出和接受采用的技術(shù)。

　　問：若操作系統(tǒng)沒有加載網(wǎng)卡驅(qū)動，網(wǎng)卡雖然在系統(tǒng)設(shè)備樹上，但網(wǎng)卡接口創(chuàng)建不了，那網(wǎng)卡實際能不能接收到數(shù)據(jù)？

　　答：這里面有很多細(xì)節(jié)， 我根據(jù)Intel網(wǎng)卡的Spec大概寫了寫， 想盡量寫的通俗一些，所以沒有刻意用Spec里的術(shù)語，另外本文雖然講的是MAC/PHY，但光口卡的（SERDES）也是類似的。

　　PCI設(shè)備做reset以后進(jìn)入D0uninitialized（非初始化的D0狀態(tài)， 參考PCI電源管理規(guī)范），此時網(wǎng)卡的MAC和DMA都不工作，PHY是工作在一個特殊的低電源狀態(tài)的;

　　操作系統(tǒng)創(chuàng)建設(shè)備樹時，初始化這個設(shè)備，PCI命令寄存器的 Memory Access Enable or the I/O Access Enable bit會被enable， 這就是D0active.此時PHY/MAC就使能了;

　　PHY被使能應(yīng)該就可以接收物理鏈路上的數(shù)據(jù)了，否則不能收到FLP/NLP， PHY就不能建立物理連接。但這類包一般是流量間歇發(fā)送的;

　　驅(qū)動程序一般要通過寄存器來控制PHY， 比如自動協(xié)商speed/duplex， 查詢物理鏈路的狀態(tài)Link up/down;

　　MAC被使能后， 如果沒有驅(qū)動設(shè)置控制寄存器的一個位（CTRL.SLU ）的話， MAC和PHY是不能通訊的， 就是說MAC不知道PHY的link已經(jīng)ready， 所以收不到任何數(shù)據(jù)的。這位設(shè)置以后， PHY完成自協(xié)商， 網(wǎng)卡才會有個Link change的中斷，知道物理連接已經(jīng)Link UP了;

　　即使Link已經(jīng)UP， MAC還需要enable接收器的一個位（RCTL.RXEN ），包才可以被接收進(jìn)來，如果網(wǎng)卡被reset，這位是0，意味著所有的包都會被直接drop掉，不會存入網(wǎng)卡的 FIFO.老網(wǎng)卡在驅(qū)動退出前利用這位關(guān)掉接收.Intel的最新千兆網(wǎng)卡發(fā)送接收隊列的動態(tài)配置就是依靠這個位的，重新配置的過程一定要關(guān)掉流量;

　　無論驅(qū)動加載與否， 發(fā)生reset后，網(wǎng)卡EEPOM里的mac地址會寫入網(wǎng)卡的MAC地址過濾寄存器， 驅(qū)動可以去修改這個寄存器，現(xiàn)代網(wǎng)卡通常支持很多MAC地址，也就是說，MAC地址是可以被軟件設(shè)置的。例如，Intel的千兆網(wǎng)卡就支持16個單播 MAC地址，但只有1個是存在EEPROM里的，其它是軟件聲稱和設(shè)置的;

　　但如果驅(qū)動沒有加載，網(wǎng)卡已經(jīng)在設(shè)備樹上，操作系統(tǒng)完成了步驟1-2的初始化，此時網(wǎng)卡的PHY應(yīng)該是工作的，但因為沒有人設(shè)置控制位（CTRL.SLU）來讓MAC和PHY建立聯(lián)系，所以MAC是不收包的。這個控制位在reset時會再設(shè)置成0;

　　PHY可以被軟件設(shè)置加電和斷電， 斷電狀態(tài)除了接收管理命令以外，不會接收數(shù)據(jù)。另外，PHY還能工作在Smart Power Down模式下，link down就進(jìn)入省電狀態(tài);

　　有些多口網(wǎng)卡，多個網(wǎng)口共享一個PHY， 所以BIOS里設(shè)置disbale了某個網(wǎng)口， 也未必會把PHY的電源關(guān)掉，反過來，也要小心地關(guān)掉PHY的電源;

　　要詳細(xì)了解PHY，最終還是要熟悉IEEE以太網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議。

　　phy，mac，switch芯片有什么區(qū)別

　　什么是MAC？　　首先我們來說說以太網(wǎng)卡的MAC芯片的功能。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?！　AC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(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DWORD（4Byte）的CRC碼?！　】墒悄繕?biāo)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(biāo)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(yīng)包。這個IP地址的主機收到這個ARP請求包后回復(fù)的ARP響應(yīng)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(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(biāo)準(zhǔn)的借口傳遞給驅(qū)動和上層的協(xié)議客棧，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?！　∫蕴W(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。以太網(wǎng)的物理層又包括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。而PHY芯片是實現(xiàn)物理層的重要功能器件之一，實現(xiàn)了前面物理層的所有的子層的功能?！　?．網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鞒獭　HY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號把數(shù)據(jù)送出去。（注：關(guān)于網(wǎng)線上數(shù)據(jù)是數(shù)字的還是模擬的比較不容易理解清楚。最后我再說）　　收數(shù)據(jù)時的流程反之?！　HY還有個重要的功能就是實現(xiàn)CSMA/CD的部分功能。它可以檢測到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中就等待，一旦檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑，再等待一個隨機時間后將送數(shù)據(jù)出去。如果兩塊網(wǎng)卡碰巧同時送出了數(shù)據(jù)，那樣必將造成沖突，這時候，沖突檢測機構(gòu)可以檢測到?jīng)_突，然后各等待一個隨機的時間重新發(fā)送數(shù)據(jù)。　　這個隨機時間很有講究的，并不是一個常數(shù)，在不同的時刻計算出來的隨機時間都是不同的，而且有多重算法來應(yīng)付出現(xiàn)概率很低的同兩臺主機之間的第二次沖突?！　≡S多網(wǎng)友在接入Internt寬帶時，喜歡使用”搶線”強的網(wǎng)卡，就是因為不同的PHY碰撞后計算隨機時間的方法設(shè)計上不同，使得有些網(wǎng)卡比較”占便宜”。不過，搶線只對廣播域的網(wǎng)絡(luò)而言的，對于交換網(wǎng)絡(luò)和ADSL這樣點到點連接到局端設(shè)備的接入方式?jīng)]什么意義。而且”搶線”也只是相對而言的，不會有質(zhì)的變化。　　4．關(guān)于網(wǎng)絡(luò)間的沖突 現(xiàn)在交換機的普及使得交換網(wǎng)絡(luò)的普及，使得沖突域網(wǎng)絡(luò)少了很多，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。但是如果用HUB，或者共享帶寬接入Internet的時候還是屬于沖突域網(wǎng)絡(luò)，有沖突碰撞的。交換機和HUB最大的區(qū)別就是：一個是構(gòu)建點到點網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)交換設(shè)備，一個是構(gòu)建沖突域網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)互連設(shè)備?！　∥覀兊腜HY還提供了和對端設(shè)備連接的重要功能并通過LED燈顯示出自己目前的連接的狀態(tài)和工作狀態(tài)讓我們知道。當(dāng)我們給網(wǎng)卡接入網(wǎng)線的時候，PHY不斷發(fā)出的脈沖信號檢測到對端有設(shè)備，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的”語言”交流，互相協(xié)商并卻定連接速度、雙工模式、是否采用流控等?！　⊥ǔＧ闆r下，協(xié)商的結(jié)果是兩個設(shè)備中能同時支持的最大速度和最好的雙工模式。這個技術(shù)被稱為Auto Negotiation或者NWAY，它們是一個意思–自動協(xié)商。　　5.PHY的輸出部分 現(xiàn)在來了解PHY的輸出后面部分。一顆CMOS制程的芯片工作的時候產(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)現(xiàn)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?！　≡倬褪窃O(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。我們?nèi)绾谓鉀Q這個問題呢？　　這時就出現(xiàn)了Transformer（隔離變壓器）這個器件。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)?！　「綦x變壓器本身就是設(shè)計為耐2KV~3KV的電壓的。也起到了防雷感應(yīng)（我個人認(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)備在雷雨天氣時容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計不合理造成的，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。