嵌入式网络接口之MAC芯片与PHY芯片

0. 参考文档

1.嵌入式网络接口简介

2.嵌入式网络硬件架构方案

2.1 SOC内未集成MAC芯片

2.2 SOC内集成MAC芯片

2.3 主流方案总结

2.3 参照实际网卡的说明

3.MII/RMII及MDIO接口

3.1 MII

3.2 RMII

3.3 MDIO

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网卡构造：MAC与PHY的关系，GMAC介绍_学海无涯_come on的博客-CSDN博客对于上述三部分，并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况CPU内部集成了MAC和PHY （难度较高）CPU内部集成MAC,PHY采用独立芯片 (主流方案)CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片 (高端采用)在软件上对网口的操作通常分为下面几步:为数据收发分配内存;初始化MAC寄存器;初始化PHY寄存器（通过MIIM）;启动收发;_gmachttps://blog.csdn.net/chenhuanqiangnihao/article/details/128287341

【genius_platform软件平台开发】第九十八讲：嵌入式网络接口（MAC、PHY）_隨意的風的博客-CSDN博客15这16个寄存器的功能，16~31这16个寄存器由厂商自行实现。也就是说不管你用的哪个厂家的PHY芯片，其中0~15这16个寄存器是一模一样的。仅靠这16个寄存器是完全可以驱动起PHY芯片的，至少能保证基本的网络数据通信，因此Linux内核有通用PHY驱动，按道理来讲，不管你使用的哪个厂家的PHY芯片，都可以使用Linux的这个通用PHY驱动来验证网络工作是否正常。事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致Linux内核的通用PHY驱动工作不正常，这个时候就需要驱动开发人员去调试了。https://blog.csdn.net/Windgs_YF/article/details/131262026

PHY芯片快速深度理解（持续更新中……）_daisy.skye的博客-CSDN博客物理层芯片称为PHY、数据链路层芯片称为MAC。可以看到PHY的数据是RJ45网络接口（网线口）穿过了的差分信号，而PHY作用就是将差分信号转为数字信号，这块内容不用深究，制造商都设计好了。那我们干什么呢？（主要是对phy芯片进行模式选择，比如工作速率，工作模式）为什么要熟悉RJ45网口上面说到针对phy芯片我们只要进行模式选择（下文会介绍使用mdio接口，通过寄存器控制）那模式选择后，如何查看是否有效呢？最简单直接的就是通过RJ45网口的指示灯查看。_phy芯片https://blog.csdn.net/qq_40715266/article/details/124095801

1.嵌入式网络接口简介

提起网络，我们一般想到的是“以太网卡”。网卡硬件分为两部分：1）数据链路层的MAC芯片；2）物理层的PHY芯片。

MAC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。MAC在发送数据的时候，事先判断是否可以发送数据，如果可以，给数据加上一些控制信息，再将数据以及控制信息以规定的格式封装成帧发送到物理层；在接收数据的时候，MAC只接收发送至本网卡的单播帧、组播帧和广播帧，其余的丢弃，再将帧重新组合成数据，并判断输入的数据是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。

PHY位于OSI七层协议中的物理层。PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据，然后把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号送出去，收数据时的流程反之。

2.嵌入式网络硬件架构方案

大家都是通过看数据手册来判断一款SOC是否支持网络，如果一款芯片数据手册说自己支持网络，一般都是说的这款SOC内置MAC，MAC类似I2C控制器、SPI控制器一样的外设。

但是光有MAC还不能直接驱动网络，还需要另外一个芯片：PHY，因此对于内置MAC的SOC，其外部必须搭配一个PHY芯片。内部没有MAC的SOC芯片，就需要使用外置的MAC+PHY一体芯片了，这里就要牵扯出常见的两个嵌入式网络硬件方案了。

2.1 SOC内未集成MAC芯片

对于内部没有MAC的SOC芯片，可以使用外置 MAC+PHY一体的网络芯片来实现网络功能。比如三星linux开发板里面用的最多的DM9000，DM9000对SOC提供了一个SRAM接口，SOC会以SRAM的方式操作DM9000。

有些外置的网络芯片更强大，内部甚至集成了硬件TCP/IP协议栈，对外提供一个SPI接口，比如W5500。SOC通过SPI接口与W5500进行通信，由于W5500内置了硬件TCP/IP协议栈，因此SOC就不需要移植软件协议栈，直接通过SPI来操作W5500，简化了单片机联网方案。

这种方案的优点就是让不支持网络的SOC能够另辟蹊径，实现网络功能，但是缺点就是网络效率不高，因为一般芯片内置的MAC会有网络加速引擎，比如网络专用DMA，网络处理效率会很高。而且此类外置芯片网速都不快，基本就是10/100M。另外，相比PHY芯片而言，此类芯片的成本也比较高，可选择比较少。

SOC与外部MAC+PHY芯片的连接如下图所示：

2.2 SOC内集成MAC芯片

我们一般说某个SOC支持网络，说的就是他内部集成网络MAC外设，此时我们还需要外接一个网络PHY芯片。目前几乎所有支持网络的SOC都是内置MAC外设，比如STM32F4/F7/H7系列、NXP的I.MX系列，内部集成网络MAC的优点如下：

1）内部MAC外设会有专用的加速模块，比如专用的DMA，加速网速数据的处理。

2）网速快，可以支持10/100/1000M网速。

3）外接PHY可选择性多，成本低。

内部的MAC外设会通过MII或者RMII接口来连接外部的PHY芯片，MII/RMII接口用来传输网络数据。另外主控需要配置或读取PHY芯片，也就是读写PHY的内部寄存器，所以还需要一个控制接口，叫做MDIO（也叫作SMI），MDIO很类似IIC，也是两根线，一根数据线叫做MDIO，一根时钟线叫做MDC。SOC内部MAC外设与外部PHY芯片的连接如下图所示：

2.3 主流方案总结

由于PHY包含大量模拟器件，而MAC是典型的数字电路，考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，将MAC集成进SOC，PHY留在片外，这种结构是最常见的。

其中，MAC与PHY之间有两个重要的接口：1）MII总线接口，主要完成数据收发相关业务；2）MDIO总线接口（也叫作SMI），主要完成SOC对PHY芯片各寄存器的配置。

当PHY芯片发送数据时，接受MAC芯片从MII接口发送过来的数字信号，然后转换成模拟信号，通过MDI接口传输出去。

网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的地方叫做RJ45座（见下图上），RJ45座要与PHY芯片连接在一起，但是中间还需要一个网络变压器（见下图下），其主要作用是1）增强信号。网线传输的距离很长，有时候需要送到100米甚至更远的地址，那么就会导致信号的流失，需要提前增强信号；2）隔离外部设备，增强芯片抗干扰能力。网线与内部芯片直接相连的话，电磁感应和静电也很容易导致芯片的损坏。所以就要使用网络变压器连接RJ45座。

同时，PHY芯片会引出两个引脚，连接到RJ45座的LED灯上，对LED灯进行控制，用来指示当前网络通信状态。RJ45 座子上一般有两个灯，一个橙色，一个绿色，绿色亮表示网络连接正常，黄色闪烁说明当前正在进行网络通信，黄灯闪动频率越快表示网速越好。

2.3 参照实际网卡的说明

MAC和PHY分开的以太网卡：

MAC和PHY集成在一个芯片的网卡：

上图中各部件为:①RJ-45接口、②Transformer(隔离变压器)、③PHY芯片、④MAC芯片、⑤EEPROM、⑥BOOTROM插槽、⑦WOL接头、⑧晶振、⑨电压转换芯片、⑩LED指示灯。

3.MII/RMII及MDIO接口

MAC与PHY接口支持四种类型：MII、RMII、GMII、RGMII。这四种类型都是从MII（Media Independent Interface）衍生出来的，RMII（Reduced MII）是精简版的MII，GMII（Gigabit MII）是支持千兆传输速率的MII，RGMII（Reduced GMII）是精简版的GMII。下面主要介绍MII和RMII。

3.1 MII

MII全称是Media Independent Interface，直译过来就是介质独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网标准接口，MII接口用于以太网MAC连接PHY芯片，连接示意图如下图所示：

MII接口一共有16根信号线，含义如下：

TX_CLK：发送时钟，如果网速为100M的话时钟频率为25MHz，10M网速的话时钟频率为2.5MHz，此时钟由PHY产生并发送给MAC。
TX_EN：发送使能信号。
TX_ER：发送错误信号，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。10Mpbs网速下TX_ER不起作用。
TXD[3:0]：发送数据信号线，一共4根。
RXD[3:0]：接收数据信号线，一共4根。
RX_CLK：接收时钟信号，如果网速为100M的话时钟频率为25MHz，10M网速的话时钟频率为2.5MHz，RX_CLK也是由PHY产生的。
RX_ER：接收错误信号，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。10Mpbs网速下RX_ER不起作用。
RX_DV：接收数据有效，作用类似TX_EN。
CRS：载波侦听信号。
COL：冲突检测信号。

MII接口的缺点就是所需信号线太多，这还没有算MDIO和MDC这两根管理接口的数据线，因此MII接口使用已经越来越少了。

3.2 RMII

RMII全称是Reduced Media Independent Interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是MII接口的精简版本。RMII接口只需要7根数据线，相比MII直接减少了9根，极大的方便了板子布线，RMII接口连接PHY芯片的示意图如下图所示：

TX_EN：发送使能信号。
TXD[1:0]：发送数据信号线，一共2根。
RXD[1:0]：接收数据信号线，一共2根。
CRS_DV：相当于MII接口中的RX_DV和CRS这两个信号的混合。
REF_CLK：参考时钟，由外部时钟源提供，频率为50MHz。这里与MII不同，MII的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由PHY芯片提供的。

3.3 MDIO

MDIO接口（也叫作SMI接口），全称是Management Data Input/Output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，包括一根MDIO数据线和一根MDC时钟线。驱动程序可以通过MDIO和MDC这两根线访问任意PHY芯片的任意一个寄存器，总线框图如下图所示。

MDIO的读写时序如下图所示，其含义是读/写某一PHY芯片（由PHYAD字段指定）中的某一寄存器（由REGAD字段指定）：

从上表可知，MDIO可读写的PHY地址（即图中的PHYAD字段）为5位，所以一个SOC最多管理2^5=32个PHY芯片（与MDIO总线框图相呼应）。MDIO可访问该PHY芯片（由PHYAD指定）中的寄存器地址（即图中的REGAD字段）也为5位，所以一个PHY芯片中最多有32个寄存器，其中寄存器0-15这16个寄存器各个公司都是一样的，后面16个寄存器则由不同厂家各自定义。

IEEE802.3协议英文原版中的 “22.2.4 Management functions”章节对PHY的前16个寄存器功能进行了规定，如下图所示：