以太网——PHY、MAC、MII与网卡

网卡(Network Interface Card，简称NIC)，也称网络适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。只要连接到局域网就需要网卡。一个网卡主要包括OSI的最下面两层，物理层和数据链路层。物理层的芯片称之为PHY，数据链路层的芯片称之为MAC控制器。本文旨在学习以太网基础MAC和PHY的知识，总结系统框架和物理硬件组成原理，了解各种接口。

PHY & MAC & MII

PHY

PHY 是物理接口收发器，它实现物理层。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。定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。

MAC

MAC 是 Media Access Control 的缩写，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。以太网 MAC 由 IEEE-802.3 以太网标准定义。

MII

MII即媒体独立接口，也叫介质无关接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。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16个信号。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。由此可见，MAC 和 PHY，一个是数据链路层，一个是物理层；两者通过 MII 传送数据。

系统组成

从硬件的角度来分析，以太网的电路接口一般由CPU、MAC(Media Access Control)控制器和物理层接口PHY组成：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：
（1）CPU内部集成了MAC和PHY，难度较高；（2）CPU内部集成MAC，PHY采用独立芯片(主流方案)；（3）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)。PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件，芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，是将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合。以常用的CPU内部集成MAC，PHY采用独立的芯片方案为例，虚线内表示CPU和MAC集成在一起，PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC互联。

对于这种方案，其硬件方案比独立的更简单，PHY与MAC之间有以下两个重要的硬件接口：（1）MDIO总线接口，主要是完成CPU对于PHY芯片的寄存器配置；（2）MII即媒体独立接口，也叫介质无关接口。常见的有MII、RMII、GMII、RGMII等。“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。MII 数据接口总共需要16个信号，包括:

• transmit data - TXD[3:0]
• transmit strobe - TX_EN
• transmit clock - TX_CLK
• transmit error - TX_ER/TXD4
• receive data - RXD[3:0]
• receive strobe - RX_DV
• receive clock - RX_CLK
• receive error - RX_ER/RXD4
• collision indication - COL
• carrier sense - CRS

一般说来，包括IC 对 PHY 作读取与写入用的一组信号：MDC(clock)，MDIO(data) 作为 data sampling reference 用的两组 clock，频率应为 25MHz(TX_CLK,RX_CLK)各4-bit 的输出、输入 Bus(TX[0:3],RX[0:3])；通知对方准备输入数据的输出、输入的启动信号(TX_EN)；输出、输入的错误通知信号(TX_ER,RX_ER)；得到有效输入数据的通知信号(RX_DV)；网络出现拥塞的 colision 信号(Col)。做为 carrier 回复用的信号(CRS)，电位可使用+5V 或+3.3V。MII 以 4bit，即半字节方式双向传送数据，时钟速率 25MHz，其工作速率可达 100Mb/s。MII传递了网络的所有数据和数据的控制，而 MAC对PHY 的工作状态的确定和对 PHY 的控制则是使用 SMI ( Serial Management Interface) 界面通过读写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 总线不断地读取 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，例如流控地打开关闭，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。

SMI

SMI是MAC内核访问PHY寄存器接口，它由两根线组成、双工，MDC为时钟，MDIO为双向数据通信，原理上跟I2C总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的PHY。

MDC/MDIO基本特性：

• 两线制：MDC（时钟线）和MDIO（数据线）。
• 时钟频率：2.5MHz
• 通信方式：总线制，可同时接入的PHY数量为32个
• 通过SMI接口，MAC芯片主动地轮询PHY层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。

后来为了支持千兆网口，也就开始有了千兆网的MII接口，也就是GMII接口。现在比较常用的是RGMII，减小了MAC和PHY之间的引脚数量。数据信号和控制信号混合在一起，并且在工作时钟的上升沿和下降沿同时采样，其对应关系如下：10M带宽对应的是2.5MHz，因为4bit*2.5M=10Mbps100M带宽对应的是25MHz，因为4bit*25M=100Mbps1000M带宽对应的是125MHz，4bit*125M=1000Mbps，因为250MHz频率太高，所以采用双边沿采样技术（会带来设计复杂度）。