以太网芯片MAC和PHY知识详解

网口扫盲三:以太网芯片MAC和PHY的关系问:如何实现单片以太网微控制器?答:诀窍是将微控制器、以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合进同一芯片,这样能去掉许多外接元器件.这种方案可使MAC和PHY实现很好的匹配,同时还可减小引脚数、缩小芯片面积.单片以太网微控制器还降低了功耗,特别是在采用掉电模式的情况下.问:以太网MAC是什么?答:MAC即MediaAccessControl,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.该层协议是以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义.最新的MAC同时支持10Mbps和100Mbps两种速率.以太网数据链路层其实包含MAC(介质访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层.一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子层和LLC子层的功能,还要提供符合规范的PCI界面以实现和主机的数据交换.MAC从PCI总线收到IP数据包(或者其他网络层协议的数据包)后,将之拆分并重新打包成最大1518Byte,最小64Byte的帧.这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型(比如IP数据包的类型用80表示).最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码.可是目标的MAC地址是哪里来的呢?这牵扯到一个ARP协议(介乎于网络层和数据链路层的一个协议).第一次传送某个目的IP地址的数据的时候,先会发出一个ARP包,其MAC的目标地址是广播地址,里面说到：”谁是xxx.xxx.xxx.xxx这个IP地址的主人？”因为是广播包,所有这个局域网的主机都收到了这个ARP请求.收到请求的主机将这个IP地址和自己的相比较,如果不相同就不予理会,如果相同就发出ARP响应包.这个IP地址的主机收到这个ARP请求包后回复的ARP响应里说到:”我是这个IP地址的主人”.这个包里面就包括了他的MAC地址.以后的给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了.(其它的协议如IPX/SPX也有相应的协议完成这些操作.)IP地址和MAC地址之间的关联关系保存在主机系统里面,叫做ARP表,由驱动程序和操作系统完成.在Microsoft的系统里面可以用arp-a的命令查看ARP表.收到数据帧的时候也是一样,做完CRC以后,如果没有CRC效验错误,就把帧头去掉,把数据包拿出来通过标准的借口传递给驱动和上层的协议客栈,最终正确的达到我们的应用程序.还有一些控制帧,例如流控帧也需要MAC直接识别并执行相应的行为.以太网MAC芯片的一端接计算机PCI总线,另外一端就接到PHY芯片上,它们之间是通过MII接口链接的.问:什么是MII?答:MII即媒体独立接口,它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准.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.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,包括TX_ER,TXD3:0,TX_EN,TX_CLK,COL,RXD3:0,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(SerialManagementInterface)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.MII支持10Mbps和100Mbps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50MHz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10Mbps和100Mbps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,所以为了满足100Mbps的总线接口速度的需求,它的时钟频率就达到了125MHz,为什么用125MHz,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100Mbps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125MHz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(GigabitMII)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10/100Mbps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IEEE802.3-2000.发送器:GTXCLK——吉比特TX..信号的时钟信号(125MHz)TXCLK——10/100Mbps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10/100Mbps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IEEE802.3,2000-22.2.4ManagementFunctions中规定了用途,其余的则由各器件自己指定.RMII(ReducedMediaIndependantInterface)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.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10Mbps线速,MII的时钟速率是2.5MHz就可以了,RMII则需要5MHz;对于100Mbps线速,MII需要的时钟速率是25MHz,RMII则是50MHz.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IEEE802.3(10M)/IEEE802.3u(100M)/IEEE802.1q(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vlantag,其中12bit来表示vlanid,另外4bit表示数据的优先级!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.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.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.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.对于100BaseTX因为使用4B/5B编码,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.许多网友在接入Internt宽带时,喜欢使用”抢线”强的网卡,就是因为不同的PHY碰撞后计算随机时间的方法设计上不同,使得有些网卡比较”占便宜”.不过,抢线只对广播域的网络而言的,对于交换网络和ADSL这样点到点连接到局端设备的接入方式没什么意义.而且”抢线”也只是相对而言的,不会有质的变化.现在交换机的普及使得交换网络的普及,使得冲突域网络少了很多,极大地提高了网络的带宽.但是如果用HUB,或者共享带宽接入Internet的时候还是属于冲突域网络,有冲突碰撞的.交换机和HUB最大的区别就是:一个是构建点到点网络的局域网交换设备,一个是构建冲突域网络的局域网互连设备.除此之外PHY还提供了和对端设备连接的重要功能并通过LED灯显示出自己目前的连接的状态和工作状态让我们知道.当我们给网卡接入网线的时候,PHY不断发出的脉冲信号检测到对端有设备,它们通过标准的”语言”交流,互相协商并却定连接速度、双工模式、是否采用流控等.通常情况下,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AutoNegotiation或者NWAY,它们是一个意思–自动协商.具体传输过程为,发送数据时,网卡首先侦听介质上是否有载波(载波由电压指示),如果有,则认为其他站点正在传送信息,继续侦听介质.一旦通信介质在一定时间段内(称为帧间缝隙IFG=9.6微秒)是安静的,即没有被其他站点占用,则开始进行帧数据发送,同时继续侦听通信介质,以检测冲突.在发送数据期间,如果检测到冲突,则立即停止该次发送,并向介质发送一个“阻塞”信号,告知其他站点已经发生冲突,从而丢弃那些可能一直在接