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以太网的 MAC 与 PHY

简介

本文主要介绍以太网的MAC（Media Access Control，即媒体访问控制子层协议）和PHY（物理层）。

硬件拓扑

从硬件拓扑来看，以太网接口电路主要由 MAC（Media Access Control）控制器和物理层接口PHY（Physical Layer，PHY）两大部分构成。如下图所示：

DMA控制器通常属于CPU的一部分，用虚线放在这里是为了表示DMA控制器会参与到网口数据传输中。

但是，在实际的设计中，以上三部分并不一定独立分开的。由于，PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，通常，将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外。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。可分为下列几种类型:

CPU集成MAC与PHY

CPU集成MAC，PHY采用独立芯片

CPU不集成MAC与PHY，MAC与PHY采用集成芯片

在 OSI 分层中的位置

MAC 及 PHY 工作在 OSI 七层模型的数据链路层和物理层。具体如下：

MAC

MAC（Media Access Control）即媒体访问控制子层协议，

MAC 内部结构如下图

例如 STM32 的 MAC 框图如下

PHY

PHY（（Physical Layer，PHY））是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（station management entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过SMI（Serial Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。一个PHY的基本结构如下图：

PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。

内部框图如下

PHY 的寄存器定义

寄存器可规划为三个组： Basic、 Extended 和 Vendor-specific。

• Basic 是IEEE802.3 要求的， R0 是基本控制寄存器，其位 15 为 Soft Reset 位，向该位写 1 启动软件复位，还包括速度、自适应、低功耗等等功能设置。 R1 是基本状态寄存器。
• Extended 是扩展寄存器，包括 ID 号、制造商、版本号等等信息。
• Vendorspecific 是供应商自定义寄存器， R31 是特殊控制/状态寄存器，指示速度类型和自适应功能。

MAC 与 PHY 数据交互

• 控制信息：SMI 串行管理接口（Serial Management Interface），通常直接被称为 MDIO 接口（Management Data Input/Output Interface）。
• 数据:MII, RMII, GMII 和 RGMII 等。

参考

• https://mp.weixin.qq.com/s/N3rpEI9kC6qLu0djjhevzA