网口扫盲二:Mac与Phy组成原理的简单分析

1. general

下图是网口结构简图.网口由CPU、MAC和PHY三部分组成.DMA控制器通常属于CPU的一部分,用虚线放在这里是为了表示DMA控制器可能会参与到网口数据传输中.

对于上述的三部分,并不一定都是独立的芯片,根据组合形式,可分为下列几种类型:

1. CPU集成MAC与PHY;
2. CPU集成MAC,PHY采用独立芯片;
3. CPU不集成MAC与PHY,MAC与PHY采用集成芯片;

本例中选用方案二做进一步说明,因为CPU总线接口很常见,通常都会做成可以像访问内存一样去访问,没必要拿出来说,而Mac与PHY之间的MII接口则需要多做些说明.

下图是采用方案二的网口结构图.虚框表示CPU,MAC集成在CPU中.PHY芯片通过MII接口与CPU上的Mac连接.

在软件上对网口的操作通常分为下面几步:

1. 为数据收发分配内存;
2. 初始化MAC寄存器;
3. 初始化PHY寄存器（通过MIIM）;
4. 启动收发; 

2. MII

MII接口是MAC与PHY连接的标准接口.因为各厂家采用了同样的接口,用户可以根据所需的性能、价格,采用不同型号,甚至不同公司的phy芯片.

需要发送的数据通过MII接口中的收发两组总线实现.而对PHY芯片寄存器的配置信息,则通过MII总的一组串口总线实现,即MIIM（MII Management）.

下表列出了MII总线中主要的一些引脚

PIN Name	Direction	Description
TXD[0:3]	Mac to Phy	Transmit Data
TXEN	Mac to Phy	Transmit Enable
TXCLK	Mac to Phy	Transmit Clock
RXD[0:3]	Phy to Mac	Receive Data
RXEN	Phy to Mac	Receive Enable
RXCLK	Phy to Mac	Receive Clock
MDC	Mac to Phy	Management Data Clock
MDIO	Bidirection	Management Data I/O

 MIIM只有两个线, 时钟信号MDC与数据线MDIO.读写命令均由Mac发起, PHY不能通过MIIM主动向Mac发送信息.由于MIIM只能有Mac发起, 我们可以操作的也就只有MAC上的寄存器.

3. DMA

收发数据总是间费时费力的事,尤其对于网络设备来说更是如此.CPU做这些事情显然不合适.既然是数据搬移, 最简单的办法当然是让DMA来做.毕竟专业的才是最好的.

这样CPU要做的事情就简单了.只需要告诉DMA起始地址与长度, 剩下的事情就会自动完成.

通常在MAC中会有一组寄存器专门用户记录数据地址, tbase与rbase, cpu按MAC要的格式把数据放好后, 启动MAC的数据发送就可以了.启动过程常会用到寄存器tstate.

4. MAC

CPU上有两组寄存器用与MAC.一组用户数据的收发,对应上面的DMA;一组用户MIIM,用户对PHY进行配置.两组寄存器由于都在CPU上,配置方式与其他CPU上寄存器一样,直接读写即可.数据的转发通过DMA完成.  

5. PHY

该芯片是一个10M/100M Ethernet网口芯片

PHY芯片有一组寄存器用户保存配置,并更新状态.CPU不能直接访问这组寄存器,只能通过MAC上的MIIM寄存器组实现间接访问.同时PHY芯片负责完成MII总线的数据与Media Interface上数据的转发.该转发根据寄存器配置自动完成,不需要外接干预.