以太网基础理论—MAC+PHY

2023-09-05 20:06

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MAC （Medium Access Control），简称媒体访问控制。MAC层在OSI模型中是属于数据链路层，其主要任务是解决数据包发给谁。数据链路层包含MAC（介质访问控制）子层和LLC（逻辑链路控制）子层。

PHY（physical），简称物理层，是一个对OSI模型物理层的简称。PHY包括两个接口三个子层：

两个接口：
1、MII接口：媒体独立接口。PHY与MAC之间的通信方式，其中包括数据接口、管理接口。在MII的基础上，又发展了RMII（Reduced Media Independant Interface，简化了MII，比MII用的信号线更少）、GMII（Gigabit Media Independent Interface，即先兆的MII接口）、RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface，及简化先兆的MII接口）；
2、MDI接口：媒体相关接口；

三个子层：

PCS子层：物理编码子层，负责编码；
2、PMA子层：物理介质连接子层，进一步将PCS编码向各种媒介进行传送。完成串并、并串转化；
3、PMD子层：物理介质相关子层，完成物理连接；

MAC的功能

1）封装网络层的数据，将数据封装为帧，实现帧同步对目标MAC地址和源MAC地址进行处理，对PHY传输错误时进行校准。MAC帧的数据部分只有一个字段，其长度；
2）控制PHY芯片；

PHY的功能

1）通过MII接受MAC的数据，并对数据进行进一步编码；
2）数字信号转化为模拟信号；

MAC和PHY的结构简图

一般的链路层和物理层实现方式有以下几种：
1）CPU集成MAC和PHY
2）CPU集成MAC，PHY采用外部芯片实现
3）CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY都通过外部芯片实现
一般采用的是第二种方法。

PHY芯片

PHY芯片的主要功能就是将数据再次编码，然后数字信号转化为电信号。PHY一般有32个寄存器，其中的前16个寄存器是根据802.3协议定义的，后面的16个寄存器是芯片制造商定义的功能寄存器。下图是RTL8211FD芯片的系统框图：

**驱动PHY芯片的驱动其实就是调用MAC控制器，通过SMI接口控制PHY芯片。在做协议适配的时候，主要就是通过MAC控制器与PHY芯片通信，来完成数据的控制。**详细的适配过程，可以参考和学习LWIP适配的详细讲解。

具体举例说明

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:

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

1.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