关于PHY的三大寄存器详解

在之前的文章，我们讲解了STM32的网络外设部分。

文章有《STM32网络电路设计》《STM32网络之MAC控制器》《STM32网络之DMA控制器》《STM32网络之中断》。

STM32只有网络外设时不能进行网络通信的，因为STM32只提供了SMI接口，MII和RMII接口。我们还需要与之通信的外部网络芯片，简称PHY芯片。我熟悉的PHY型号有：RTL8201F，RTL8201E，RTL8201G，DP83848，YT8512C等，原计划讲解RTL8201F的，但是内容太多，先把PHY寄存器拿出来讲一下。

为什么STM32不集成PHY呢？

PHY（PortPhysical Layer），中文可称之为端口物理层。

1、PHY芯片是模拟芯片，需要将网线的差分信号转换成数字信号，如果集成，则芯片面积增加，如果要降低功耗，还要高的芯片制造工艺，这会直接将芯片成本拉高。

2、并不是所有的STM32使用者都需要使用到网络，集成PHY会增加成本。

所以，STM32不集成PHY不是技术问题，而是各方面考虑的结果。

难道没有集成PHY的MCU吗？

有的，TI的LM3S8962。

我们说回PHY寄存器，外部PHY芯片寄存器分为3种类型

Basic：基础寄存器

Extended：扩展寄存器

Vendor-spcififc：厂商特殊寄存器

其中在802.3协议2012版中有如下说明。

不同的手册，对基础寄存器有不同的说明，按照802.3-2012上图的说明基础寄存器是控制器寄存器（寄存器0）和状态寄存器（寄存器1），在GMII（千兆网）接口中海油扩展状态寄存器（寄存器15）。

本文主要根据802.3-2012协议讲解PHY的基础寄存器，并不是根据某个具体芯片讲解的。

寄存器0和寄存器1在协议文档的中位置如下图

01控制寄存器（寄存器0）

寄存器0是PHY控制寄存器，通过ControlRegister可以对PHY的主要工作状态进行设置

bit15 Rset

bit15为1时表示，PHY复位。Bit15控制的是PHY复位功能，在该位置写入1实现对PHY的复位操作。复位后该端口PHY的其他控制、状态寄存器将恢复到默认值，每次PHY复位应该在0.5s的时间内完成，复位过程中Bit15保持为1，复位完成之后该位应该自动清零。一般要改变端口的工作模式（如速率、双工、流控或协商信息等）时，在设置完相应位置的寄存器之后，需要通过Reset位复位PHY来使配置生效。

在复位过程完成之前，不需要PHY接受对控制寄存器的写事务，而在复位过程完成之前，对控制寄存器中除bit15以外的位的写操作可能无效。

bit14 Loopback

Loopback是一个调试以及故障诊断中常用的功能，Bit14置1之后，PHY和外部MDI的连接在逻辑上将被断开，从MAC经过MII/GMII（也可能是其他的MAC/PHY接口）发送过来的数据将不会被发送到MDI上，而是在PHY内部（一般在PCS）回环到本端口的MII/GMII接收通道上。

通过Loopback功能可以检查MII/GMII以及PHY接口部分是否工作正常，对于端口不通的情况可用于故障定位。需要注意的是，很多时候PHY设置Loopback后端口可能就Linkdown了，MAC无法向该端口发帧，这时就需要通过设置端口ForceLink up才能使用Loopback功能。

bit13 Speed Selection（LSB）

Bit13和Bit6两位联合实现对端口的速率控制功能，具体的对应关系详见下图

需要注意的是SpeedSelection只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用；

并且，对SpeedSelection的修改设置，往往需要复位端口才能配置生效。因此在设置该位置的时候需要检查自动协商的设置并通过Bit15复位端口。

bit12 Auto-Negotiation Enable

自动协商（AN）开关。设置为1表示打开AN功能，端口的工作模式通过和连接对端进行自动协商来确定。如果设置为0则自动协商功能关闭，端口的工作模式通过ControlRegister相应位置的配置决定。必须注意的是，对于1000BASE-T接口，自动协商必须打开。

bit11 Power Down

端口工作开关：设置为1将使端口进入PowerDown（低功耗状态）模式，正常情况下PHY在PowerDown模式其MII和MDI均不会对外发送数据。PowerDown模式一般在软件shutdown端口的时候使用，需要注意的是端口从PowerDown模式恢复，需要复位端口以保证端口可靠的连接。

bit10 Isolate

隔离状态开关：改位置1将导致PHY和MII接口之间处于电气隔离状态，除了MDC/MDIO接口的信号外，其他MII引脚处于高阻态。IEEE802.3没有对Isolate时MDI接口的状态进行规范，此时MDI端可能还在正常运行。Isolate在实际应用中并没有用到。并且，值得注意的是，由于目前很多百兆的PHY芯片其MAC接口主流的都是SMII/S3MII，8个端口的接口是相互关联的，一个端口设置Isolate可能会影响其他端口的正常使用，因此在使用中注意不要随意更改bit10的状态。

bit9 Restart Auto-Negotiation

重新启动自动协商开关：Bit9置1将重新启动端口的自动协商进程，当然前提是Auto-NegotiationEnable是使能的。一般在修改端口的自动协商能力信息之后通过Bit9置1重新启动自动协商来使端口按照新的配置建立link。

bit8 Duplex Mode

双工模式设置：Bit8置1端口设置为全双工，置0则端设置为半双工，和SpeedSelection的设置一样，DuplexMode的设置只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用，端口的双工模式根据AN结果来定。对DuplexMode的修改配置也需要复位端口才能生效。

bit7 Collision Test

冲突信号（COL）测试开关：在需要对COL信号进行测试时，可以通过Bit7置1，这时PHY将输出一个COL脉冲以供测试。实际测试操作中也可以将端口配置为半双工状态，通过发帧冲突来测试COL信号，因此该配置实用价值不大。

bit6 Speed Selection（MSB）

和Bit13两位联合实现对端口的速率控制功能。

bit5 Unidirectional enable

当第12位为1或第8位为0时，该位为忽略了。

当第12位为0且第8位为1：

1：从MII接口启用传输，不管PHY是否确定已建立有效链路

0：仅当PHY确定已建立有效链路时，才启用从MII接口传输

Bits 4:0 reserved

保留位，它们应写入为零，读取时应忽略；但是，PHY应返回这些位中的值零。

02状态寄存器（寄存器1）

寄存器1是PHY状态寄存器，主要包含PHY的状态信息。

bit15 100BASE-T4

PHY使用100BASE-T4信令规范执行链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit14 100BASE-X Full Duplex

PHY使用100BASE-X信令规范执行全双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit13 100BASE-X Half Duplex

PHY使用100BASE-X信令规范执行半双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit12 10Mb/s Full Duplex

PHY具有以10Mb/s的速度运行时执行全双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit11 10Mb/s Half Duplex

PHY具有以10Mb/s的速度运行时执行半双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit10 100BASE-T2 Full Duplex

PHY具有使用100BASE-T2信令规范执行全双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit9 100BASE-T2 Half Duplex

PHY具有使用100BASE-T2信令规范执行半双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit8 Externded Status

1：使能寄存器15

0：不使能寄存器15

bit7 Unidirectional ability

1：PHY有能力编码和传输来自PHY的数据通过MII接口，而不管PHY是否已确定有效链路已被连接已建立。

0：仅当PHY确定已建立有效链路时，才启用从MII接口传输

bit6 MF Preamble Suppression

1：PHY能够接受管理帧，而不管它们前面是否有前导码模式。

0：PHY不能接受管理帧，除非它们前面有前导码模式。

前导码模式。

在官方文档中22.2.4.5.2中有描述的。大家可以自行查看。

其实这个前导码我们在之前也是讲解到的，在文章《STM32网络之SMI接口》如下图，建议没有读过这篇文章的同学读一下。

bit5 Auto-Negotiation Complete

AN完成状态指示位：Bit5指示的是端口AN进程是否完成的状态位。在ANEnable的情况下，Bit5=1表示自动协商进程已经成功结束，此时PHY的其他和Link状态相关的寄存器才是正确可靠的。如果AN进程没有完成，则这些状态信息可能是错误的。在调试以及异常故障处理时，可以通过该位寄存器的状态判断AN是否成功，从而进一步的检查AN相关的设置是否正确，或者芯片的AN功能是否正常等。

bit4 Remote Fault

远端错误指示位：Bit4=1代表连接对端（LinkPartner）出错，至于出错的具体类型以及错误检测机制在规范中并没有定义，由PHY的制造商自由发挥，一般的厂商都会在其他的寄存器（Register16-31由厂商自行定义）指示比较详细的错误类型。在与端口相关的故障查证中，RemoteFault是一个重要的指示信息，通过互联双方的RemoteFault信息（可能要加上其他的具体错误指示），可以帮助定位故障原因。

bit3 Auto-Negotiation Ability

1：PHY使能自动协商

0：PHY不使能自动协商

bit2 Link Status

Link状态指示位：Bit2=1代表端口Linkup，0则代表端口Linkdown。实际应用中一般都是通过Bit2来判断端口的状态。而且，一般的MAC芯片也是通过轮询PHY的这个寄存器值来判断端口的Link状态的（这个过程可能有不同的名称，比如BCM叫做LinkScan，而Marvell叫做PHYPolling。）如前所述，在ANEnable的情况下，LinkStatus的信息只有在Auto-NegotiationComplete指示已经完成的情况下才是正确可靠的，否则有可能出错。

bit1 Jabber Detect

1：检测到抖动（戳刺）状态

0：没有检测到抖动（戳刺）状态

bit0 Extended Capability

1：PHY提供了扩展的功能集，可通过扩展的寄存器集进行访问。

0：没有提供扩展寄存器。

03寄存器15

寄存器15主要模式千兆网模式下，PHY的状态。

如上图，寄存器15主要描述，千兆网模式下PHY的状态，具体含义和寄存器1的相关位差不多。

bit15 1000BASE-X Full Duplex

PHY使用1000BASE-X信令规范执行全双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit14 1000BASE-X Half Duplex

PHY使用100B0ASE-X信令规范执行半双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit13 1000BASE-T Full Duplex

PHY具有使用1000BASE-T信令规范执行全双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

bit12 1000BASE-T Half Duplex

PHY具有使用1000BASE-T信令规范执行半双工链路传输和接收的能力。1：具有能力；0：不具有能力。

Bits 11:0 reserved

保留位，读取的时候忽略。

04其他寄存器

除去基础寄存器，802.3-2012协议也提到了其他寄存器，这里简单说明下，不做重点讲解。

寄存器2、3：芯片ID寄存器

寄存器2、3分别是PHYID寄存器，从内核代码知道，寄存器2（PHYID1）为高16位，而寄存器3（PHYID2）为低16位。它们作为PHY芯片的标识，一般被认为作用不大，以前有过同一主CPU搭配不同的PHY组合不同的板卡，使用同一份内核，这里就可以用PHYID来做区别。

寄存器4：自动协商通告寄存器

该寄存器保存着PHY本身具备的特性、能力。如PHY支持流控、百兆全双工/半双工、十兆全双工/半双工，等。

当设置为自动协商使能情况下通过FLP在MDI上进行通告。如果不使能，则此寄存器的配置无效。

寄存器5：自动协商对端能力通告寄存器

该寄存器和寄存器4类似，它表示对端（交换机或PC）具备的特性、能力。同样要注意是的只有在自动协商使能情况下该寄存器信息才有效。由于此寄存器表示的是对端的状态，所以一般情况下寄存器的值被设计为只读，但有的芯片如dm9000的流控位5.10FCS是可读写的。

该寄存器主要用来了解对端的情况，在出现问题时，可以了解对方的信息，从而大致定位范围。而不用一味地找自身原因。万一真的是对端的交换机出现故障，此寄存器就是有力的现场证据。
编辑：lyn