以太网PHY和MAC（ZT）

此贴转自“骨灰级暗黑”的博客：http://hi.baidu.com/dark_hc/blog/item/773ae934950120b2d1a2d36c.html

以太网PHY和MAC对应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（RGMII / GMII / MII）。

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。

问：以太网PHY是什么？

答：PHY是物理接口收发器，它实现物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。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。

问：以太网MAC是什么？

答：MAC就是媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。最新的MAC同时支持10/100/1000Mbps速率。通常情况下，它实现MII/GMII/RGMII接口，来同行业标准PHY器件实现接口。

问：什么是MII？

答：MII（Medium Independent Interface）即媒体独立接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。数据 接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口： 一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。

MII标准接口 用于连快Fast Ethernet MAC-block与PHY。“介质无关”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。在其他速率下工作的与 MII等效的接口有：AUI（10M　以太网）、GMII（Gigabit　以太网）和XAUI（10-Gigabit　以太网）。

此外还有RMII(Reduced MII)、GMII(Gigabit MII)、RGMII（Reduced GMII）SMII等。所有的这些接口都从MII而来，MII是(Medium Independent Interface）的意思，是指不用考虑媒体是铜轴、光纤、电缆等，因为这些媒体处理的相关工作都有PHY或者叫做MAC的芯片完成。
MII支持10兆和100兆的操作，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。
RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的信号线，所以它一般要求是50兆的总线时钟。RMII一般用在多端口的交换机，它不 是每个端口安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发，这里就节省了不少的端口数目。RMII的一个端口要求7个数据线，比 MII少了一倍，所以交换机能够接入多一倍数据的端口。和MII一样，RMII支持10兆和100兆的总线接口速度。
SMII是由思科提出的一种媒体接口，它有比RMII更少的信号线数目，S表示串行的意思。因为它只用一根信号线传送发送数据，一根信号线传输接受数据， 所以在时钟上为了满足100的需求，它的时钟频率很高，达到了125兆，为什么用125兆，是因为数据线里面会传送一些控制信息。SMII一个端口仅用4 根信号线完成100信号的传输，比起RMII差不多又少了一倍的信号线。SMII在工业界的支持力度是很高的。同理，所有端口的数据收发都公用同一个外部 的125M时钟。
GMII是千兆网的MII接口，这个也有相应的RGMII接口，表示简化了的GMII接口。


MII总线
在IEEE802.3中规定的MII总线是一种用于将不同类型的PHY与相同网络控制器（MAC）相连接的通用总线。网络控制器可以用同样的硬件接口与任何PHY 。

GMII (Gigabit MII)

GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。
GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准。该接口定义见IEEE 802.3-2000。
发送器：
◇ GTXCLK——吉比特TX..信号的时钟信号（125MHz）
◇ TXCLK——10/100M信号时钟
◇ TXD[7..0]——被发送数据
◇ TXEN——发送器使能信号
◇ TXER——发送器错误（用于破坏一个数据包）
注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信号，TXD、TXEN、TXER信号与此时钟信号同步。否则，在10/100M速率下，PHY提供TXCLK时钟信号，其它信号与此信号同步。其工作频率为25MHz（100M网络）或2.5MHz（10M网络）。
接收器：
◇ RXCLK——接收时钟信号（从收到的数据中提取，因此与GTXCLK无关联）
◇ RXD[7..0]——接收数据
◇ RXDV——接收数据有效指示
◇ RXER——接收数据出错指示
◇ COL——冲突检测（仅用于半双工状态）
管理配置
◇ 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。

RMII: Reduced Media Independant Interface
简化媒体独立接口
是标准的以太网接口之一，比MII有更少的I/O传输。

关于RMII口和MII口的问题

RMII口是用两根线来传输数据的，
MII口是用4根线来传输数据的，
GMII是用8根线来传输数据的。MII/RMII只是一种接口，对于10M线速,MII的速率是2.5M，RMII则是5M；对于100M线速，MII的速率是25M，RMII则是50M。

MII/RMII 用于传输以太网包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太网的PHY里需要做串并转换、编解码等才能在双绞线和光纤上进行传 输，其帧格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。
以太网帧的格式为：前导符+开始位+目的mac地址+源mac地址+类型/长度+数据+padding(optional)+32bitCRC
如果有vlan，则要在类型/长度后面加上2个字节的vlan tag，其中12bit来表示vlan id，另外4bit表示数据的优先级！

吉比特以太网物理层协议及接口

吉比特以太网协议的数据链路层与传统的10/100Mb/s以太网协议相同，但物理层有所不同。三种协议与OSI七层模型的对应关系如图所示。

从图可以看出，吉比特以太网协议与10/100Mb/s以太网协议的差别仅仅在于物理层。图中的PHY表示实现物理层协议的芯片；协调子层 （Reconciliation sublayer）用于实现指令转换；MII（介质无关接口）／GMII（吉比特介质无关接口）是物理层芯片与实现上层协议的芯片的接口；MDI（介质相 关接口）是物理层芯片与物理介质的接口；PCS、PMA和PMD则分别表示实现物理层协议的各子层。在实际应用系统中，这些子层的操作细节将全部由PHY 芯片实现，只需对MII和MDI接口进行设计与操作即可。

吉比特以太网的物理层接口标准主要有四种：GMII、RGMII（Reduced GMII）、TBI（Ten-Bit Interface）和RTBI（Reduced TBI）。GMII是标准的吉比特以太网接口，它位于MAC层与物理层之间。对于TBI接口，图1中PCS子层的功能将由MAC层芯片实现，在降低PHY 芯片复杂度的同时，控制线也比GMII接口少。RGMII和RTBI两种接口使每根数据线上的传输速率加倍，数据线数目减半。

网卡

PHY和MAC是网卡的主要组成部分，网卡一般用RJ-45插口，10M网卡的RJ-45插口也只用了1、2、3、6四根针，而100M或 1000M网卡的则是八根针都是全的。除此以外，还需要其它元件，因为虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及 一个局域网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏。

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。

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问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？

答：PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。芯片面积及模拟/数字混合架构是为什么先将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合。

问： 除RJ-45接口外，还需要其它元件吗？

答：需要其它元件。虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局域网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏。

问：10BaseT和100BaseTX PHY实现方式不同的原因何在？

答：两种实现的分组描述本质上是一样的，但两者的信令机制完全不同。其目的是阻止一种硬件实现容易地处理两种速度。10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。

问：什么是曼彻斯特编码？

答：曼彻斯特编码又称曼彻斯特相位编码，它通过相位变化来实现每个位(图2)。通常，用一个时钟周期中部的上升沿表示“1”，下降沿表示“0”。周期末端的相位变化可忽略不计，但有时又可能需要将这种相位变化计算在内，这取决于前一位的值。

问：什么是4B/5B编码？

答：4B/5B编码是一种块编码方式。它将一个4位的块编码成一个5位的块。这就使5位块内永远至少包含2个“1”转换，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销。

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作者：William Wong，嵌入式/系统/软件编辑，《Electronic Design》

网卡工作在osi的最后两层，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。物理层的芯片称之为PHY。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。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线，mac接 phy，phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。
下面继续让我们来关心一下PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的。通过IEEE定义的标准的MII/GigaMII(Media Independed Interfade，介质独立界面)界面连接MAC和PHY。这个界面是IEEE定义的。MII界面传递了网络的所有数据和数据的控制。而MAC对PHY 的工作状态的确定和对PHY的控制则是使用SMI(Serial Management Interface)界面通过读写PHY的寄存器来完成的。PHY里面的部分寄存器也是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。我们看到了，不论是物理连接的MII界面和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有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。一片网卡主要功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的，还有一颗EEPROM芯片，通常是一颗93C46。里面记录了网卡芯片的供应商ID、子系统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置，如SMI总线上PHY的 地址，BOOTROM的容量，是否启用BOOTROM引导系统等东西。很多网卡上还有 BOOTROM这个东西。它是用于无盘工作站引导操作系统的。既然无盘，一些引导用必需用到的程序和协议栈就放到里面了，例如RPL、PXE等。实际上它 就是一个标准的PCI ROM。所以才会有一些硬盘写保护卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其实PCI设备的ROM是可以放到主板BIOS里面的。启动电脑的时候一样 可以检测到这个ROM并且正确识别它是什么设备的。AGP在配置上和PCI很多地方一样，所以很多显卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面。这就是为什 么板载的网卡我们从来没有看到过BOOTROM的原因。

    2。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。

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以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术，该技术基于IEEE制定的IEEE 802.3标准，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。

　　以太网是当前应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、FDDI和ARCNET。

　　历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。

　　基于以太网的应用一定时期内是研究开发热点。

　　ETHERNET的接口实质是MAC通过MII总线控制PHY的过程。

　　MAC是Media Access Control 的缩写，即媒体访问控制子层协议。

　　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。

　　在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层。

　　在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。

　　以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。

　　MII，Media Independent Interface，即媒体独立接口。

　　“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。包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。

　　MII数据接口总共需要16个信号，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位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。

　　MII管理接口是个双信号接口，一个是时钟信号，另一个是数据信号。

　　通过管理接口，上层能监视和控制PHY，其管理是使用SMI（Serial Management Interface）总线通过读写PHY的寄存器来完成的。

　　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有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。

　　PHY是物理接口收发器，它实现物理层。

　　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。

　　100BaseTX采用4B/5B编码。

　　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。

　　PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。

　　它可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两个碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突，这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。

　　通信速率通过双方协商，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式，这个技术被称为Auto Negotiation或者NWAY。

　　隔离变压器把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。

　　RJ-45中1、2是传送数据的，3、6是接收数据的。

　　新的PHY支持AUTO MDI-X功能，也需要隔离变压器支持，它可以实现RJ-45接口的1、2上的传送信号线和3、6上的接收信号线的功能自动互相交换。