本文主要介紹以太網(wǎng)的 MAC 和 PHY，以及之間的 MII（Media Independent Interface ，媒體獨立接口）和 MII 的各種衍生版本——GMII、SGMII、RMII、RGMII等。

簡(jiǎn)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）兩大部分構成。如下圖所示：

DMA控制器通常屬于CPU的一部分，用虛線(xiàn)放在這里是為了表示DMA控制器可能會(huì )參與到網(wǎng)口數據傳輸中。但是，在實(shí)際的設計中，以上三部分并不一定獨立分開(kāi)的。由于，PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數字器件。

考慮到芯片面積及模擬/數字混合架構的原因，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(shí)現MAC和PHY的單芯片整合。

可分為下列幾種類(lèi)型:

• CPU集成MAC與PHY。目前來(lái)說(shuō)并不多見(jiàn)

• CPU集成MAC，PHY采用獨立芯片。比較常見(jiàn)

• CPU不集成MAC與PHY，MAC與PHY采用集成芯片。比較常見(jiàn)

MAC及PHY工作在OSI七層模型的數據鏈路層和物理層。具體如下：

什么是MAC

MAC（Media Access Control）即媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層協(xié)議。

該部分有兩個(gè)概念：MAC可以是一個(gè)硬件控制器 及 MAC通信以協(xié)議。該協(xié)議位于OSI七層協(xié)議中數據鏈路層的下半部分，主要負責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)送數據的時(shí)候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數據，如果可以發(fā)送將給數據加上一些控制信息，最終將數據以及控制信息以規定的格式發(fā)送到物理層。

在接收數據的時(shí)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(méi)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)標準定義。

以太網(wǎng)數據鏈路層其實(shí)包含MAC(介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)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(shí)現MAC子層和LLC子層的功能，還要提供符合規范的PCI界面以實(shí)現和主機的數據交換。

MAC從PCI總線(xiàn)收到IP數據包(或者其他網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的數據包)后，將之拆分并重新打包成最大1518Byte、最小64Byte的幀。

這個(gè)幀里面包括了目標MAC地址、自己的源MAC地址和數據包里面的協(xié)議類(lèi)型(比如IP數據包的類(lèi)型用80表示，最后還有一個(gè)DWORD(4Byte)的CRC碼。

可是目標的MAC地址是哪里來(lái)的呢？

這牽扯到一個(gè)ARP協(xié)議(介乎于網(wǎng)絡(luò )層和數據鏈路層的一個(gè)協(xié)議)。第一次傳送某個(gè)目的IP地址的數據的時(shí)候，先會(huì )發(fā)出一個(gè)ARP包，其MAC的目標地址是廣播地址，里面說(shuō)到：“誰(shuí)是xxx.xxx.xxx.xxx這個(gè)IP地址的主人？”因為是廣播包，所有這個(gè)局域網(wǎng)的主機都收到了這個(gè)ARP請求。

收到請求的主機將這個(gè)IP地址和自己的相比較，如果不相同就不予理會(huì )，如果相同就發(fā)出ARP響應包。

這個(gè)IP地址的主機收到這個(gè)ARP請求包后回復的ARP響應里說(shuō)到：“我是這個(gè)IP地址的主人”。這個(gè)包里面就包括了他的MAC地址。以后的給這個(gè)IP地址的幀的目標MAC地址就被確定了。(其它的協(xié)議如IPX/SPX也有相應的協(xié)議完成這些操作)。

IP地址和MAC地址之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系保存在主機系統里面，叫做ARP表。由驅動(dòng)程序和操作系統完成。

以太網(wǎng)MAC芯片的一端接計算機PCI總線(xiàn)，另外一端就接到PHY芯片上，它們之間是通過(guò)MII接口鏈接的。一個(gè)MAC的結構圖如下圖所示：

什么是PHY

PHY（（Physical Layer，PHY））是IEEE802.3中定義的一個(gè)標準模塊，STA（station management entity，管理實(shí)體，一般為MAC或CPU）通過(guò)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(dòng)作是通過(guò)讀寫(xiě)PHY內部的寄存器實(shí)現的。一個(gè)PHY的基本結構如下圖：

PHY是物理接口收發(fā)器，它實(shí)現OSI模型的物理層。

IEEE-802.3標準定義了以太網(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)的規范。

注：PHY寄存器在IEEE802.3標準的 22.2.4 Management functions 節有介紹，但不涉及所有的寄存器，個(gè)別寄存器需要到其它章節中看，當然，文檔里面也提到該在哪里找到哪個(gè)寄存器。

什么是MII

MII（Media Independent Interface）即媒體獨立接口，MII 接口是 MAC 與 PHY 連接的標準接口。它是 IEEE-802.3 定義的以太網(wǎng)行業(yè)標準。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 的數據傳輸速率，數據傳輸的位寬為 4 位。MII 接口如下圖所示：

MII接口主要包括四個(gè)部分。一是從MAC層到PHY層的發(fā)送數據接口，二是從PHY層到MAC層的接收數據接口，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(gè)數據接口，以及一個(gè) MAC 和 PHY 之間的管理接口：

• TX_CLK（transmit clock）：TX_CLK (Transmit Clock) 是一個(gè)連續的時(shí)鐘信號（即系統啟動(dòng)，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(shí)鐘，TX_CLK 由 PHY 驅動(dòng) TX_CLK 的時(shí)鐘頻率是數據傳輸速率的 25%，偏差 ±100ppm。例如，100Mb/s 模式下，TX_CLK 時(shí)鐘頻率為 25MHz，占空比在 35% 至 65% 之間。

• TXD<3:0>（transmit data）：TXD 由 RS 驅動(dòng)，同步于 TX_CLK，在 TX_CLK 的時(shí)鐘周期內，并且TX_EN 有效，TXD 上的數據被 PHY 接收，否則 TXD 的數據對 PHY 沒(méi)有任何影響。

• TX_ER（transmit coding error）：TX_ER 同步于 TX_CLK，在數據傳輸過(guò)程中，如果 TX_ER 有效超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期，并且此時(shí)TX_EN 是有效的，則數據通道中傳輸的數據是無(wú)效的，沒(méi)用的。注：當 TX_ER 有效并不影響工作在 10Mb/s 的 PHY 或者 TX_EN 無(wú)效時(shí)的數據傳輸。在 MII 接口的連線(xiàn)中，如果 TX_ER 信號線(xiàn)沒(méi)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 TX_CLK 上升沿同步進(jìn)行轉換。

• 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(shí)鐘。RX_CLK 同樣是由 PHY 驅動(dòng)，PHY 可能從接收到的數據中提取時(shí)鐘 RX_CLK，也有可能從一個(gè)名義上的參考時(shí)鐘(e.g., the TX_CLK reference)來(lái)驅動(dòng)RX_CLK。

• RXD<3:0>（receive data）：RXD由RS驅動(dòng)，同步于 RX_CLK，在 RX_CLK 的時(shí)鐘周期內，并且 RX_DV 有效，RXD 上的數據被RS 接收，否則 RXD 的數據對 RS 沒(méi)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(lèi)似于 TX_ER 對于 TX 通道數據傳輸的影響。

• RX_DV（Receive Data Valid）：RXD_DV 同步于 RX_CLK，被 PHY 驅動(dòng)，它的作用如同于發(fā)送通道中的 TX_EN，不同的是在時(shí)序上稍有一點(diǎn)差別：為了讓數據能夠成功被RS接收，要求RXD_DV有效的時(shí)間必須覆蓋整個(gè) FRAME 的過(guò)程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter。MII以4位半字節方式傳送數據雙向傳輸，時(shí)鐘速率25MHz。其工作速率可達100Mb/s。

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

• CRS（carrier sense）：CRS 不需要同步于參考時(shí)鐘，只要通道存在發(fā)送或者接收過(guò)程，CRS 就需要有效。

• MDC：由站管理實(shí)體向 PHY 提供，作為在 MDIO 信號上傳送信息的定時(shí)參考。MDC 是一種非周期性的信號，沒(méi)有最高或最低時(shí)間。無(wú)論 TX_CLK 和 RX_CLK 的標稱(chēng)周期如何，MDC 的最小高低時(shí)間應為 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 驅動(dòng)并且由 PHY 同步地采樣。狀態(tài)信息由 PHY 針對 MDC 同步驅動(dòng)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(guò) SMI 總線(xiàn)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。

當然也可以通過(guò) SMI 設置 PHY的寄存器達到控制的目的。例如流控的打開(kāi)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(xiàn)和 SMI 總線(xiàn)，還是 PHY 的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是由IEEE的規范的。因此不同公司的 MAC 和 PHY 一樣可以協(xié)調工作。當然為了配合不同公司的 PHY 的自己特有的一些功能，驅動(dòng)需要做相應的修改。

MII 支持 10Mbps 和 100Mbps 的操作，一個(gè)接口由 14 根線(xiàn)組成，它的支持還是比較靈活的。但是有一個(gè)缺點(diǎn)是因為它一個(gè)端口用的信號線(xiàn)太多，如果一個(gè) 8 端口的交換機要用到 112 根線(xiàn)，16 端口就要用到 224 根線(xiàn)，到 32 端口的話(huà)就要用到 448 根線(xiàn)。

一般按照這個(gè)接口做交換機是不太現實(shí)的。所以現代的交換機的制作都會(huì )用到其它的一些從 MII 簡(jiǎn)化出來(lái)的標準，比如 RMII、SMII、GMII等。

什么是RMII

簡(jiǎn)化媒體獨立接口是標準的以太網(wǎng)接口之一，比 MII 有更少的 I/O 傳輸。RMII 口是用兩根線(xiàn)來(lái)傳輸數據的，MII 口是用 4 根線(xiàn)來(lái)傳輸數據的，GMII 是用 8 根線(xiàn)來(lái)傳輸數據的。

MII/RMII 只是一種接口，對于10Mbps 線(xiàn)速，MII 的時(shí)鐘速率是 2.5MHz 就可以了，RMII 則需要 5MHz；對于 100Mbps 線(xiàn)速，MII 需要的時(shí)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里需要做串并轉換，編解碼等才能在雙絞線(xiàn)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：前導符 + 開(kāi)始位 + 目的 mac 地址 + 源 mac 地址 + 類(lèi)型/長(cháng)度 + 數據 + padding(optional) + 32bitCRC。如果有 vlan,則要在類(lèi)型/長(cháng)度后面加上 2 個(gè)字節的 vlan tag，其中 12bit 來(lái)表示vlan id，另外，4bit 表示數據的優(yōu)先級！

什么是GMII

GMII是千兆網(wǎng)的MII接口，這個(gè)也有相應的RGMII接口，表示簡(jiǎn)化了的GMII接口。GMII 采用 8 位接口數據，工作時(shí)鐘125MHz，因此傳輸速率可達 1000Mbps。

同時(shí)兼容 MII 所規定的10/100 Mbps工作方式。GMII 接口數據結構符合IEEE以太網(wǎng)標準，該接口定義見(jiàn) IEEE 802.3-2000。

什么是RGMII

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精簡(jiǎn)GMII接口。相對于GMII相比，RGMII具有如下特征：

• 發(fā)送/接收數據線(xiàn)由8條改為4條

• TX_ER和TX_EN復用，通過(guò)TX_CTL傳送

• RX_ER與RX_DV復用，通過(guò)RX_CTL傳送

• 1 Gbit/s速率下，時(shí)鐘頻率為125MHz

• 100 Mbit/s速率下，時(shí)鐘頻率為25MHz

• 10 Mbit/s速率下，時(shí)鐘頻率為2.5MHz

信號定義如下：

雖然RGMII信號線(xiàn)減半，但TXC/RXC時(shí)鐘仍為125Mhz，為了達到1000Mbit的傳輸速率，TXD/RXD信號線(xiàn)在時(shí)鐘上升沿發(fā)送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在時(shí)鐘下降沿發(fā)送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信號TX_CTL反應了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(shí)序：

什么是SMI

SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），通常直接被稱(chēng)為MDIO接口（Management Data Input/Output Interface）。

MDIO最早在IEEE 802.3的第22卷定義，后來(lái)在第45卷又定義了增強版本的MDIO，其主要被應用于以太網(wǎng)的MAC和PHY層之間，用于MAC層器件通過(guò)讀寫(xiě)寄存器來(lái)實(shí)現對PHY層器件的操作與管理。

MDIO主機（即產(chǎn)生MDC時(shí)鐘的設備）通常被稱(chēng)為STA（Station Management Entity），而MDIO從機通常被稱(chēng)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(xiàn)，MDIO和MDC，其中MDIO是雙向數據線(xiàn)，而MDC是由STA驅動(dòng)的時(shí)鐘線(xiàn)。MDC時(shí)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(huì )在MDC時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行采樣，而并不在意MDC時(shí)鐘的頻率（類(lèi)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,物理層和數據鏈路層,物理層定義了數據傳送與接收所需要的電與光信號、線(xiàn)路狀態(tài)、時(shí)鐘基準、數據編碼和電路等,并向數據鏈路層設備提供標準接口.物理層的芯片稱(chēng)之為PHY.

數據鏈路層則提供尋址機構、數據幀的構建、數據差錯檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò )層提供標準的數據接口等功能.以太網(wǎng)卡中數據鏈路層的芯片稱(chēng)之為MAC控制器.

很多網(wǎng)卡的這兩個(gè)部分是做到一起的.他們之間的關(guān)系是pci總線(xiàn)接mac總線(xiàn),mac接phy,phy接網(wǎng)線(xiàn)(當然也不是直接接上的,還有一個(gè)變壓裝置).

PHY和MAC之間如何進(jìn)行溝通

通過(guò)IEEE定義的標準的MII/GigaMII（Media Independed Interfade，介質(zhì)獨立界面）界面連接MAC和PHY。這個(gè)界面是IEEE定義的。MII界面傳遞了網(wǎng)絡(luò )的所有數據和數據的控制。

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(guò)讀寫(xiě)PHY的寄存器來(lái)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(guò)SMI總線(xiàn)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。

當然也可以通過(guò)SMI設置PHY的寄存器達到控制的目的，例如流控的打開(kāi)關(guān)閉，自協(xié)商模式還是強制模式等。

我們看到了，不論是物理連接的MII界面和SMI總線(xiàn)還是PHY的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是有IEEE的規范的，因此不同公司的MAC和PHY一樣可以協(xié)調工作。當然為了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驅動(dòng)需要做相應的修改。