实践经验分享:以太网MAC和PHY层问题的解决方案

简介: 实践经验分享:以太网MAC和PHY层问题的解决方案

一、简介

网卡工作在osi的最后两层,物理层和数据链路层,物理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。

OSI(Open System Interconnect),即开放式系统互连。一般都叫OSI参考模型,是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架(物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层),即OSI开放系统互连参考模型

网卡工作在osi的最后两层,物理层和数据链路层,物理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。数据链路层则提供寻址机构、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。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线,mac接 phy,phy接网线(当然也不是直接接上的,还有一个变压装置)。

MII/GigaMII(Media Independed Interfade,介质独立界面)界面连接MAC和PHY。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。smi(Serial Management Interface)是一种串行接口,接口包括两根信号线:MDC和MDIO,通过它,MAC层芯片(或其它控制芯片)可以访问物理层芯片的寄存器(前面100M物理层芯片中介绍的寄存器组)。MDC:管理接口的时钟,它是一个非周期信号,信号的最小周期(实际是正电平时间和负电平时间之和)为400ns,最小正电平时间和负电平时间为160ns,最大的正负电平时间无限制。它与TX_CLK和RX_CLK无任何关系。MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。MDIO数据与MDC时钟同步,在MDC上升沿有效。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。

物理连接的MII界面和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。一片网卡主要功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的,还有一颗EEPROM芯片,通常是一颗93C46。里面记录了网卡芯片的供应商ID、子系统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置,如SMI总线上PHY的地址,BOOTROM的容量,是否启用BOOTROM引导系统等东西。

如果操作系统没有加载网卡驱动,网卡虽然在系统设备树上,但网卡接口创建不了,那网卡实际能不能接收到数据?

这里面有很多细节, 我根据Intel网卡的Spec大概写了写, 想尽量写的通俗一些,所以没有刻意用Spec里的术语,另外本文虽然讲的是MAC/PHY,但光口卡的(SERDES)也是类似的。

  • 1. PCI设备做reset以后进入D0uninitialized(非初始化的D0状态, 参考PCI电源管理规范),此时网卡的MAC和DMA都不工作,PHY是工作在一个特殊的低电源状态的。
  • 2. 操作系统创建设备树时,初始化这个设备,PCI命令寄存器的 Memory Access Enable or the I/O Access Enable bit会被enable, 这就是D0active。此时PHY/MAC就使能了。
  • 3. PHY被使能应该就可以接收物理链路上的数据了,否则不能收到FLP/NLP, PHY就不能建立物理连接。但这类包一般是流量间歇发送的.
  • 4. 驱动程序一般要通过寄存器来控制PHY, 比如自动协商speed/duplex, 查询物理链路的状态Link up/down。
  • 5. MAC被使能后, 如果没有驱动设置控制寄存器的一个位(CTRL.SLU )的话, MAC和PHY是不能通讯的, 就是说MAC不知道PHY的link已经ready, 所以收不到任何数据的。这位设置以后, PHY完成自协商, 网卡才会有个Link change的中断,知道物理连接已经Link UP了。
  • 6. 即使Link已经UP, MAC还需要enable接收器的一个位(RCTL.RXEN ),包才可以被接收进来,如果网卡被reset,这位是0,意味着所有的包都会被直接drop掉,不会存入网卡的 FIFO。老网卡在驱动退出前利用这位关掉接收。Intel的最新千兆网卡发送接收队列的动态配置就是依靠这个位的,重新配置的过程一定要关掉流量。
  • 7. 无论驱动加载与否, 发生reset后,网卡EEPOM里的mac地址会写入网卡的MAC地址过滤寄存器, 驱动可以去修改这个寄存器,现代网卡通常支持很多MAC地址,也就是说,MAC地址是可以被软件设置的。例如,Intel的千兆网卡就支持16个单播 MAC地址,但只有1个是存在EEPROM里的,其它是软件声称和设置的。
  • 8. 但如果驱动没有加载,网卡已经在设备树上,操作系统完成了步骤1-2的初始化,此时网卡的PHY应该是工作的,但因为没有人设置控制位(CTRL.SLU)来让MAC和PHY建立联系,所以MAC是不收包的。这个控制位在reset时会再设置成0。
  • 9. PHY可以被软件设置加电和断电, 断电状态除了接收管理命令以外,不会接收数据。另外,PHY还能工作在Smart Power Down模式下,link down就进入省电状态。
  • 10. 有些多口网卡,多个网口共享一个PHY, 所以BIOS里设置disbale了某个网口, 也未必会把PHY的电源关掉,反过来,也要小心地关掉PHY的电源。

二、系统概述

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(physical Layer PHY)组成,如下图所示

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)

以常用的CPU内部集成MAC,PHY采用独立的芯片方案,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

SMI是一种串行接口,接口包括两根信号线: MDC:管理接口的时钟,MDIO: 双向的数据线。主要是完成CPU对于PHY芯片的寄存器配置MII总线接口,主要是完成数据收发相关的业务(下方详细介绍)网络隔离变压器:传输数据,增强信号;隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平;抗干扰,保护作用。

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三、通讯方式

MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口,MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术。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。MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RGMII。

MII接口主要包括以下三个部分:

  • 从MAC层到PHY层的发送数据接口
  • 从PHY层到MAC层的接收数据接口
  • 从MAC层和PHY层之间寄存器控制和信息获取的MDIO接口

MII 数据接口总共需要 16 个信号。MII的时钟为25MHz,传输速率为10/100Mbps。所以MII的特性如下:

  • 1.支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率
  • 2.100M工作模式下,参考时钟是25MHz;10M工作模式下,信号参考时钟是2.5MHz
  • 3.支持全双工、半双工两种工作模式
  • 4.发送和接收数据时采用,4bit方式

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(2数据位),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,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.

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,其对应关系图如下:

  • 10M带宽对应的是2.5MHz,因为4bit*2.5M=10Mbps
  • 100M带宽对应的是25MHz,因为4bit*25M=100Mbps

1000M带宽对应的是125MHz,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)。4bit125M2=1000Mbps

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芯片主动的轮询PHY层芯片,获得状态信息,并发出命令信息。

当PHY芯片发送数据,接受到MAC层发送过来的数字信号,然后转换成模拟信号,通过MDI接口传输出去。但是网线传输的距离又很长,有时候需要送到100米甚至更远的地址,那么就会导致信号的流失。而且外网线与芯片直接相连电磁感应和静电,也很容易导致芯片的损坏,所以就要使用网络变压器,其主要作用是:

传输数据,它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端;

隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平,以防止不同电压通过网线传输损坏设备;

还能使芯片端与外部隔离,抗干扰能力大大增强,而且对芯片增加了很大的保护作用,保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏(如雷击)。

四、MAC

MAC(Media Access Control),即媒体访问控制子层协议,该部分有两个概念:MAC可以是一个硬件控制器以及MAC通讯协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分,主要是负责控制与连接物理层的物理介质。

MAC(Media Access Control),即媒体访问控制子层协议,该部分有两个概念:MAC可以是一个硬件控制器以及MAC通讯协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分,主要是负责控制与连接物理层的物理介质。

发送数据:MAC协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将数据加上一些控制信息,最后将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层

接收数据: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,则去掉控制信息后发送至LLC(逻辑链路控制)层。

PHY物理层位于OSI最底层,物理层协议定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。

MDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口(Media Dependent Interface)。MDI是指通过收发器发送的100BASE-T信号,即100BASE-TX、FX、T4或T2信号。将集线器连接网络接口卡时,其发送和接收对通常是相互连接的。集线器之间连接时,通常需要一条跨接电缆,其中的发送和接收对是反接的。

MDI是正常的UTP或STP连接,而MDI-X连接器的发送和接收对是在内部反接的,这就使得不同的设备(如集线器-集线器或集电器-交换机),可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。

4.1MII接口

MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口,MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术。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。MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RGMII。

MII接口主要包括以下三个部分:

  • 从MAC层到PHY层的发送数据接口
  • 从PHY层到MAC层的接收数据接口
  • 从MAC层和PHY层之间寄存器控制和信息获取的MDIO接口

首先来看看MII的MAC层定义接口:

MII 数据接口总共需要 16 个信号,包括 TX_ER,TXD[3:0],TX_EN,TX_CLK,COL,RXD[3:0],RX_ER,RX_CLK,CRS,RX_DV 等。MII的时钟为25MHz,传输速率为10/100Mbps。所以MII的特性如下:

  • 支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率
  • 100M工作模式下,参考时钟是25MHz;10M工作模式下,信号参考时钟是2.5MHz
  • 支持全双工、半双工两种工作模式
  • 发送和接收数据时采用,4bit方式

RMII的用途:

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(2数据位),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,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.

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,其对应关系图如下:

  • 10M带宽对应的是2.5MHz,因为4bit*2.5M=10Mbps
  • 100M带宽对应的是25MHz,因为4bit*25M=100Mbps
  • 1000M带宽对应的是125MHz,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)。4bit125M2=1000Mbps

4.2SMI接口

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芯片主动的轮询PHY层芯片,获得状态信息,并发出命令信息。

管理帧格式:

读操作时序

写操作时序

  • 报头: 每个读写均可通过报头字段启动,报头字段对应于MDIO线上32个连续的逻辑“1”位以及MDC的32个周期,该字段用于与PHY设备建立同步
  • 起始: 起始由<01>模式定义
  • 操作: 定义读写类型
  • PADDR: PHY地址由5位,可构成32个唯一PHY地址
  • RADDR: 寄存器地址有5位

TA:

  • 数据: 数据字段为16位
  • 空间: MDIO线驱动为高阻态,三态驱动器必须禁止,PHY的上拉电阻使线路保持高阻态

五、PHY

物理层位于OSI最底层,物理层协议定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。 物理层的器件称为PHY。

PHY是物理接口收发器,它实现OSI模型的物理层。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。

5.1什么是PHY

发送数据:对于PHY来说,并没有帧的概念,对它来说,不管是地址、数据还是CRC,都会将并行数据转换为串行数据流,在按照物理层的编码规则把数据编码,最终转换成模拟信号发送出去

接收数据:从外部接收数据时,模拟信号先转成数字信号,再经过解码得到数据, 经过MII送到MAC

CSMA/CD: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

5.2MDI

MDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口(Media Dependent Interface)。MDI是指通过收发器发送的100BASE-T信号,即100BASE-TX、FX、T4或T2信号。将集线器连接网络接口卡时,其发送和接收对通常是相互连接的。集线器之间连接时,通常需要一条跨接电缆,其中的发送和接收对是反接的。MDI是正常的UTP或STP连接,而MDI-X连接器的发送和接收对是在内部反接的,这就使得不同的设备(如集线器-集线器或集电器-交换机),可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。”

5.3PHY基础知识简介

PHY是IEEE 802.3规定的一个标准模块,SOC可以通过MDIO对PHY进行配置或者读取phy相关状态,PHY内部寄存器必须满足

PHY芯片的寄存器地址空间是5位,一般由外部硬件连接决定。

地址空间031共32个寄存器,IEEE定义了015这16个寄存器的功能,16-31这16个寄存器由厂商自行实现。也就是说不管哪个厂商的PHY芯片,其中0~15这16个寄存器是一模一样的。

仅靠这 16个寄存器完全可以驱动起PHY芯片,至少能保证基本的网络数据通信。因此 Linux 内核有通用 PHY 驱动,按道理来讲,不管你使用的是哪个厂家的 PHY 芯片,都可以使用 Linux 的这个通用 PHY 驱动来验证网络工作是否正常。事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致 Linux 内核的通用 PHY 驱动工作不正常,这个时候就需要驱动开发人员去调试了。

随着现在PHY芯片性能越来越强大,32个寄存器已经无法满足厂商的需求,因此很多厂商采用了分页机制来开展寄存器地址空间,以求定义更多的寄存器。这些多出来的几次器可以实现厂商特有的一些技术,因此在Linux内核里面可以看到很多具体的PHY芯片驱动源码。

6、总结

MAC 就是以太网控制器,属于OSI的数字链路层。 phy 属于OSI的物理层(Physical layer),所以叫phy。

MAC主要处理的数字信号,PHY负责把MAC的数字信号进行编码,串行化等操作后,转化为模拟信号进行发送。PHY在数据接受时, 进行如上所述的逆操作,将模拟信号转化为数字信号,解码,并行化后,传给MAC。

基础以太网物理层非常简单:它是一种物理层收发器(发射器和接收器),能将一个设备物理地连接到另一个设备。这种物理连接可以是铜线(例如CAT5电缆——一种家庭使用的蓝色插线电缆)或光纤电缆。

问:造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么?

答: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/数字混合架构是为什么先将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。


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