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外观

01、以太网控制及通信接口梳理 ​

📢今天介绍以太网的相关接口

图 0

  • MII（介质独立接口）是连接MAC（数据处理模块）和PHY（物理传输模块）的桥梁。当需要发送数据时，MAC通过这个接口把数据包传给PHY，再由PHY转换成网络信号发送出去；接收数据时，PHY也会先把信号传给MAC处理。

  • SMI（串行管理接口，也叫MDIO总线）是MAC与PHY之间的"控制通道"。通过这个接口，MAC可以直接读取或修改PHY的内部设置（比如调整传输速率、检测网络状态等），就像通过控制面板管理设备一样，实现对PHY的配置和监控。

一、以太网的组成框架 ​

图 1

MAC、PHY和它们的连接方式可以这样理解：

  • MAC是ARM芯片里的一个数据处理单元。当电脑要发送网络数据时，MAC会通过DMA（类似数据搬运工）把这些数据直接传输到外部接口，再交给后面的PHY处理。反过来，当外界有数据传入时，PHY会把信号传给MAC，再由DMA存入内存供系统使用。

  • PHY是负责信号转换的模块，可以是独立芯片或集成在ARM内部。它的主要工作就是把MAC传来的数字信号转换成能在网线上稳定传输的模拟信号，同时把接收到的网络线路上的模拟信号还原成数字信号返回给MAC。根据传输速率不同，PHY分为百兆和千兆两种类型。

  • 连接MAC和PHY的控制线叫做MDIO接口。它有两根线：一根双向的数据线（MDIO）和一根单向的时钟线（MDC）。这根控制线的作用就像远程控制，让MAC能读写PHY内部的设置参数，调整工作状态或查看 PHY 的运行情况。

二、MAC ​

MAC(Media Access controller)即媒体访问控制器。MAC由硬件控制器和MAC通信协议构成。该协议位于OSI七层协议中数据链路层。MAC硬件框图如下图所示:

图 2

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（组包），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网络层。

图 3

三、PHY ​

PHY是以太网物理层的信号转换芯片 把数字信号转换为差分信号。

多数Soc都使用的是片外PHY（特别是高速的）。

图 4

PHY 在发送数据的时候，收到MAC过来的数据(对PHY来说，没有帧的概念,对它来说,都是数据)，每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去，收数据时的流程反之。

四、MII：相关通信接口汇总 ​

MAC 与 PHY的通信：

  • MII

  • SMI

  • RGMII

  • SGMII

4.1、MII 接口 ​

MII 全称是 Media Independent Interface，直译过来就是介质独立接口，它是 IEEE-802.3 定义的以太网标准接口， MII 接口用于以太网 MAC 连接 PHY 芯片，连接示意图如图所示：

图 5

图 6

MII 数据接口总共需要 16 个信号，包括 TX_ER，TXD[3:0]，TX_EN，TX_CLK，COLRXD[3:0]，RX_ER，RX CLK，CRS，RX DV等。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

MII 接口一共有 16 根信号线，含义如下：

  • TX_CLK： 发送时钟，如果网速为 100M 的话时钟频率为 25MHz， 10M 网速的话时钟频率为 2.5MHz，此时钟由 PHY 产生并发送给 MAC。

  • TX_EN： 发送使能信号。

  • TX_ER： 发送错误信号，高电平有效，表示 TX_ER 有效期内传输的数据无效。 10Mpbs 网速下 TX_ER 不起作用。

  • TXD[3:0]： 发送数据信号线，一共 4 根。

  • RXD[3:0]： 接收数据信号线，一共 4 根。

  • RX_CLK： 接收时钟信号，如果网速为 100M 的话时钟频率为 25MHz， 10M 网速的话时钟频率为 2.5MHz， RX_CLK 也是由 PHY 产生的。

  • RX_ER： 接收错误信号，高电平有效，表示 RX_ER 有效期内传输的数据无效。 10Mpbs 网速下 RX_ER 不起作用。

  • RX_DV： 接收数据有效，作用类似 TX_EN。

  • CRS： 载波侦听信号。

  • COL： 冲突检测信号。

  • MII 接口的缺点就是所需信号线太多，这还没有算 MDIO 和 MDC 这两根管理接口的数据线，因此 MII 接口使用已经越来越少了。

4.2、RMII 接口 ​

RMII 全称是 Reduced Media Independent Interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是 MII 接口的精简版本。 RMII 接口只需要 7 根数据线，相比 MII 直接减少了 9 根，极大的方便了板子布线， RMII 接口连接 PHY 芯片的示意图如图

图 7

  • TX_EN： 发送使能信号。

  • TXD[1:0]： 发送数据信号线，一共 2 根。

  • RXD[1:0]： 接收数据信号线，一共 2 根。

  • RS_DV： 相当于 MII 接口中的 RX_DV 和 CRS 这两个信号的混合。

  • REF_CLK： 参考时钟，由外部时钟源提供，频率为 50MHz。这里与 MII 不同， MII 的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由 PHY 芯片提供的。

4.3、GMII 接口 ​

GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆 MII 接口。 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 10/100Mbps 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。信号定义如下：  a

图 8

  • GTX_CLK： 1000M 工作模式下的发送时钟（125MHz）。

  • TX_EN： 发送使能信号。

  • TX_ER： 发送错误信号，高电平有效，表示 TX_ER 有效期内传输的数据无效。

  • TXD[7:0]： 发送数据信号线，一共 8 根。

  • RXD[7:0]： 接收数据信号线，一共 8 根。

  • RX_CLK： 接收时钟信号。

  • RX_ER： 接收错误信号，高电平有效，表示 RX_ER 有效期内传输的数据无效。

  • RX_DV： 接收数据有效，作用类似 TX_EN。

  • CRS： 载波侦听信号。

  • COL： 冲突检测信号。

与 MII 接口相比， GMII 的数据宽度由 4 位变为 8 位， GMII 接口中的控制信号如 TX_ER、

TX_EN、 RX_ER、 RX_DV、 CRS 和 COL 的作用同 MII 接口中的一样，发送参考时钟 GTX_CLK

和接收参考时钟 RX_CLK 的频率均为 125MHz(在 1000Mbps 工作模式下)。

在实际应用中，绝大多数 GMII 接口都是兼容 MII 接口的，所以，一般的 GMII 接口都有两个发送参考时钟： TX_CLK 和 GTX_CLK(两者的方向是不一样的，前面已经说过了)，在用作MII 模式时，使用 TX_CLK 和 8 根数据线中的 4 根。

4.4、RGMII 接口 ​

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简版 GMII 接口。将接口信号线数量从 24 根减少到 14 根(COL/CRS 端口状态指示信号，这里没有画出)，时钟频率仍旧为 125MHz， TX/RX 数据宽度从 8 为变为 4 位，为了保持 1000Mbps 的传输速率不变， RGMII 接口在时钟的上升沿和下降沿都采样数据，在参考时钟的上升沿发送 GMII 接口中的 TXD[3:0]/RXD[3:0]，在参考时钟的下降沿发送 GMII 接口中的 TXD[7:4]/RXD[7:4]。 RGMII 同时也兼容 100Mbps 和10Mbps 两种速率，此时参考时钟速率分别为 25MHz 和 2.5MHz。

TX_EN 信号线上传送 TX_EN 和 TX_ER 两种信息，在 TX_CLK 的上升沿发送 TX_EN，下降沿发送 TX_ER；同样的， RX_DV 信号线上也传送 RX_DV 和 RX_ER 两种信息，在 RX_CLK的上升沿发送 RX_DV，下降沿发送RX_ER。

RGMII 接口定义如下所示：

图 9

五、MCI：MDIO 接口 ​

MDIO 全称是 Management Data Input/Output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，一根 MDIO 数据线，一根 MDC 时钟线。

驱动程序可以通过 MDIO 和MDC 这两根线访问 PHY 芯片的任意一个寄存器。 MDIO 接口支持多达 32 个 PHY。同一时刻内只能对一个 PHY 进行操作，那么如何区分这 32 个 PHY 芯片呢？和 IIC 一样，使用器件地址即可。同一 MDIO 接口下的所有 PHY 芯片，其器件地址不能冲突，必须保证唯一，具体器件地址值要查阅相应的 PHY 数据手册。

因此， MAC 和外部 PHY 芯片进行连接的时候主要是 MII/RMII（百兆网）或 GMII/RGMII （千兆网）和 MDIO 接口，另外可能还需要复位、中断等其他引脚。

六、RJ45 接口 ​

网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的叫做 RJ45 座，如图

图 10

七、网络变压器 ​

RJ45 座要与 PHY 芯片连接在一起，但是中间需要一个网络变压器，网络变压器用于隔离以及滤波等，网络变压器也是一个芯片，外形一般如图

图 11

J45 座子上一般有两个灯，一个黄色(橙色)，一个绿色，一般绿色亮的话表示网络连接正常，黄色闪烁的话说明当前正在进行网络通信，当然了有时候两个灯的状态会反过来，大家以实际为准。这两个灯由 PHY 芯片控制，对于千 M 网络 PHY 芯片，一般 PHY 芯片会有 3 个 LED灯引脚，多了一个千 M 网络状态指示灯。 PHY 芯片会通过这几个 LED 灯引脚来连接 RJ45 座上的这两个灯(千 M PHY 会有 3 个 LED 灯引脚，一般硬件设计人员会自行选择将其中的哪两个连接到 RJ45 座上)。