以太网PHY和MAC

以太网PHY和MAC

2009-09-09 10:08

以太网PHY和MAC对应OSI模型的两个层——物理层和数据链路层

物理层定义了数据传输和接受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，并想数据链路层设备提供标准接口（RGMII/GMII/MII）。数据链路层提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能

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。他符合IEEE 802.3k中用于10BaseT（第14条）和100BaseTX（第24条和第25条）的规范。

问：以太网MAC是什么

答：MAC就是媒体接口控制器。以太网MAC由IEEE 802.3以太网标准定义，他事先了一个数据链路层。最新的MAC同时支持10/100/1000Mbps速率。通常情况下，他实现MII/GMII/RGMII。

问：什么是MII？

答：MII（Medium Independent Interface）即媒体独立接口。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数据接口总共需要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。

MII标准接口 用于连快Fast Ethernet MAC-block与PHY。“介质无关”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。在其他速率下工作的与 MII等效的接口有：AUI（10M　以太网）、GMII（Gigabit　以太网）和XAUI（10-Gigabit　以太网）。

此外还有RMII(Reduced MII)、GMII(Gigabit MII)、RGMII（Reduced GMII）SMII等。所有的这些接口都从MII而来，MII是(Medium Independent Interface）的意思，是指不用考虑媒体是铜轴、光纤、电缆等，因为这些媒体处理的相关工作都有PHY或者叫做MAC的芯片完成。

    MII支持10兆和100兆的操作，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50兆的总线时钟。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10兆和100兆的总线接口速度。

    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，所以在时钟上为了满足100的需求，它的时钟频率很高，达到了125兆，为什么用125兆，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100信号的传输，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125M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 (Gigabit MII)

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10/100 Mbps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IEEE 802.3-2000。

发送器：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信号的时钟信号（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M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10/100M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“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中规定了用途，其余的则由各器件自己指定。

RMII:       Reduced Media Independant Interface

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。

关于RMII口和MII口的问题

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10M线速,MII的速率是2.5M，RMII则是5M；对于100M线速，MII的速率是25M，RMII则是50M。

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IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(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vlan tag，其中12bit来表示vlan id，另外4bit表示数据的优先级！

吉比特以太网物理层协议及接口

吉比特以太网协议的数据链路层与传统的10/100Mb/s以太网协议相同，但物理层有所不同。三种协议与OSI七层模型的对应关系如图所示

从图可以看出，吉比特以太网协议与10/100Mb/s以太网协议的差别仅仅在于物理层。图中的PHY表示实现物理层协议的芯片；协调子层（Reconciliation sublayer）用于实现指令转换；MII（介质无关接口）／GMII（吉比特介质无关接口）是物理层芯片与实现上层协议的芯片的接口；MDI（介质相关接口）是物理层芯片与物理介质的接口；PCS、PMA和PMD则分别表示实现物理层协议的各子层。在实际应用系统中，这些子层的操作细节将全部由PHY芯片实现，只需对MII和MDI接口进行设计与操作即可。

吉比特以太网的物理层接口标准主要有四种：GMII、RGMII（Reduced GMII）、TBI（Ten-Bit Interface）和RTBI（Reduced TBI）。GMII是标准的吉比特以太网接口，它位于MAC层与物理层之间。对于TBI接口，图1中PCS子层的功能将由MAC层芯片实现，在降低PHY芯片复杂度的同时，控制线也比GMII接口少。RGMII和RTBI两种接口使每根数据线上的传输速率加倍，数据线数目减半。

网卡

PHY和MAC是网卡的主要组成部分，网卡一般用RJ-45插口，10M网卡的RJ-45插口也只用了1、2、3、6四根针，而100M或1000M网卡的则是八根针都是全的。除此以外，还需要其它元件，因为虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局域网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏。

网卡的功能主要有两个:一是将电脑的数据封装为帧，并通过网线(对无线网络来说就是电磁波)将数据发送到网络上去;二是接收网络上其它设备传过来的帧，并将帧重新组合成数据，发送到所在的电脑中。网卡能接收所有在网络上传输的信号，但正常情况下只接受发送到该电脑的帧和广播帧，将其余的帧丢弃。然后，传送到系统CPU做进一步处理。当电脑发送数据时，网卡等待合适的时间将分组插入到数据流中。接收系统通知电脑消息是否完整地到达，如果出现问题，将要求对方重新发送。

PHY管理接口（MDIO）

对吉比特以太网而言，串行通信总线称为管理数据输入输出（MDIO）。该总线由IEEE通过以太网标准IEEE802.3的若干条款加以定义。MDIO是一种简单的双线串行接口，将管理器件（如：MAC控制器，微处理器）与具备管理功能的收发器（如多端口吉比特以太网收发器或10Gbe XAUI收发器）相连接，从而控制收发器并从收发器收集状态信息。可收集的信息包括链接状态、传输速度与选择、断电、低功率休眠状态、TX/RX模式选择、自动协商控制、环回模式控制等。除了拥有IEEE要求的功能之外，收发器厂商可添加更多的信息收集功能。

MDC是管理数据的始终输入，最高速率可达8.3MHz。MDIO是管理数据的输入输出双向接口，数据是与MDC时钟同步的。MDIO 的工作流程为：

1、MDIO接口在没有传输数据的空闲状态（IDLE）数据线MDIO处于高阻状态。

2、MDIO出现一个2bit的开始标识码（01）一个读/写操作开始

3、MDIO出现一个2bit数据来标识是读操作（10）还是写操作（01）

4、MDIO出现一个5bit数据标识PHY的地址

5、MDIO需要2个时钟的访问时间

6、MDIO串行读出/写入16bit的寄存器数据

7、MDIO恢复成IDLE状态，同时MDIO进入高阻状态。