本文主要介紹以太網(wǎng)的 MAC 和 PHY，以及之間的 MII（Media Independent Interface ，媒體獨(dú)立接口）和 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：

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(dú)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(jìn)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(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(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(biāo)準(zhǔn)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(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(jī)都收到了這個ARP請求。

收到請求的主機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)里面，叫做ARP表。由驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)完成。

以太網(wǎng)MAC芯片的一端接計算機(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中定義的一個標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(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：

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：

• 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。

• 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_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(dāng) 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。

• 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。

• 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。

• 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。

• 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_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(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(dá)100Mb/s。

• COL（collision detected）：COL 不需要同步于參考時鐘。

• 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。

• 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(biāo)稱周期如何，MDC 的最小高低時間應(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)?？刂菩畔⒂?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(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(diǎn)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(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。

一般按照這個接口做交換機(jī)是不太現(xiàn)實的。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！

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什么是GMII

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。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。

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(dá)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(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現(xiàn)對PHY層器件的操作與管理。

MDIO主機(jī)（即產(chǎn)生MDC時鐘的設(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(jìn)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。

QA

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)動需要做相應(yīng)的修改。

原文作者：【一起學(xué)嵌入式】