網(wǎng)卡(Network Interface Card，簡稱NIC)，也稱網(wǎng)絡(luò)適配器，是電腦與局域網(wǎng)相互連接的設(shè)備。只要連接到局域網(wǎng)就需要網(wǎng)卡。一個網(wǎng)卡主要包括OSI的最下面兩層，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層的芯片稱之為PHY，數(shù)據(jù)鏈路層的芯片稱之為MAC控制器。本文旨在學(xué)習(xí)以太網(wǎng)基礎(chǔ)MAC和PHY的知識，總結(jié)系統(tǒng)框架和物理硬件組成原理，了解各種接口。

PHY & MAC & MII

PHY

PHY 是物理接口收發(fā)器，它實現(xiàn)物理層。包括 MII/GMII (介質(zhì)獨立接口) 子層、PCS (物理編碼子層) 、PMA (物理介質(zhì)附加) 子層、PMD (物理介質(zhì)相關(guān)) 子層、MDI 子層。定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標準接口。物理層的芯片稱之為PHY。

MAC

MAC 是 Media Access Control 的縮寫，即媒體訪問控制子層協(xié)議。該協(xié)議位于 OSI 七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的下半部分，主要負責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MAC 協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數(shù)據(jù)的時候，MAC 協(xié)議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至 LLC 層。以太網(wǎng) MAC 由 IEEE-802.3 以太網(wǎng)標準定義。

MII

MII即媒體獨立接口，也叫介質(zhì)無關(guān)接口。它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標準。它包括一個數(shù)據(jù)接口，以及一個MAC和PHY之間的管理接口。數(shù)據(jù)接口包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時鐘和控制信號。MII數(shù)據(jù)接口總共需16個信號。管理接口是個雙信號接口：一個是時鐘信號，另一個是數(shù)據(jù)信號。通過管理接口，上層能監(jiān)視和控制PHY。由此可見，MAC 和 PHY，一個是數(shù)據(jù)鏈路層，一個是物理層；兩者通過 MII 傳送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)組成

從硬件的角度來分析，以太網(wǎng)的電路接口一般由CPU、MAC(Media Access Control)控制器和物理層接口PHY組成：對于上述三部分，并不一定都是獨立的芯片，主要有以下幾種情況：
（1）CPU內(nèi)部集成了MAC和PHY，難度較高；（2）CPU內(nèi)部集成MAC，PHY采用獨立芯片(主流方案)；（3）CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用獨立芯片或者集成芯片(高端采用)。PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數(shù)字器件，芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，是將MAC集成進微控制器而將PHY留在片外的原因。更靈活、密度更高的芯片技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合。以常用的CPU內(nèi)部集成MAC，PHY采用獨立的芯片方案為例，虛線內(nèi)表示CPU和MAC集成在一起，PHY芯片通過MII接口與CPU上的MAC互聯(lián)。

對于這種方案，其硬件方案比獨立的更簡單，PHY與MAC之間有以下兩個重要的硬件接口：（1）MDIO總線接口，主要是完成CPU對于PHY芯片的寄存器配置；（2）MII即媒體獨立接口，也叫介質(zhì)無關(guān)接口。常見的有MII、RMII、GMII、RGMII等。“媒體獨立”表明在不對 MAC 硬件重新設(shè)計或替換的情況下，任何類型的 PHY 設(shè)備都可以正常工作。MII 數(shù)據(jù)接口總共需要16個信號，包括:

• transmit data - TXD[3:0]
• transmit strobe - TX_EN
• transmit clock - TX_CLK
• transmit error - TX_ER/TXD4
• receive data - RXD[3:0]
• receive strobe - RX_DV
• receive clock - RX_CLK
• receive error - RX_ER/RXD4
• collision indication - COL
• carrier sense - CRS

一般說來，包括IC 對 PHY 作讀取與寫入用的一組信號：MDC(clock)，MDIO(data) 作為 data sampling reference 用的兩組 clock，頻率應(yīng)為 25MHz(TX_CLK,RX_CLK)各4-bit 的輸出、輸入 Bus(TX[0:3],RX[0:3])；通知對方準備輸入數(shù)據(jù)的輸出、輸入的啟動信號(TX_EN)；輸出、輸入的錯誤通知信號(TX_ER,RX_ER)；得到有效輸入數(shù)據(jù)的通知信號(RX_DV)；網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的 colision 信號(Col)。做為 carrier 回復(fù)用的信號(CRS)，電位可使用+5V 或+3.3V。MII 以 4bit，即半字節(jié)方式雙向傳送數(shù)據(jù)，時鐘速率 25MHz，其工作速率可達 100Mb/s。MII傳遞了網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的控制，而 MAC對PHY 的工作狀態(tài)的確定和對 PHY 的控制則是使用 SMI ( Serial Management Interface) 界面通過讀寫PHY的寄存器來完成的。PHY 里面的部分寄存器是 IEEE 定義的，這樣 PHY 把自己的目前的狀態(tài)反映到寄存器里面，MAC 通過 SMI 總線不斷地讀取 PHY 的狀態(tài)寄存器以得知目前 PHY 的狀態(tài)，例如連接速度，雙工能力等。當然也可以通過 SMI 設(shè)置 PHY 的寄存器達到控制的目的，例如流控地打開關(guān)閉，自協(xié)商模式還是強制模式等。不論是物理連接的 MII 總線和 SMI 總線還是 PHY 的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是有 IEEE 的規(guī)范的，因此不同公司的 MAC 和 PHY 一樣可以協(xié)調(diào)工作。當然為了配合不同公司的 PHY 的自己特有的一些功能，驅(qū)動需要做相應(yīng)的修改。

SMI

SMI是MAC內(nèi)核訪問PHY寄存器接口，它由兩根線組成、雙工，MDC為時鐘，MDIO為雙向數(shù)據(jù)通信，原理上跟I2C總線很類似，也可以通過總線訪問多個不同的PHY。

MDC/MDIO基本特性：

• 兩線制：MDC（時鐘線）和MDIO（數(shù)據(jù)線）。
• 時鐘頻率：2.5MHz
• 通信方式：總線制，可同時接入的PHY數(shù)量為32個
• 通過SMI接口，MAC芯片主動地輪詢PHY層芯片，獲得狀態(tài)信息，并發(fā)出命令信息。

后來為了支持千兆網(wǎng)口，也就開始有了千兆網(wǎng)的MII接口，也就是GMII接口。現(xiàn)在比較常用的是RGMII，減小了MAC和PHY之間的引腳數(shù)量。數(shù)據(jù)信號和控制信號混合在一起，并且在工作時鐘的上升沿和下降沿同時采樣，其對應(yīng)關(guān)系如下：10M帶寬對應(yīng)的是2.5MHz，因為4bit*2.5M=10Mbps100M帶寬對應(yīng)的是25MHz，因為4bit*25M=100Mbps1000M帶寬對應(yīng)的是125MHz，4bit*125M=1000Mbps，因為250MHz頻率太高，所以采用雙邊沿采樣技術(shù)（會帶來設(shè)計復(fù)雜度）。