【PHY】关于学习以太网PHY的这件事情

  概述：由于近期要使用以太网PHY芯片，于是在网上查找各种资料，学习这部分的知识，这篇文章是对当前的学习做一个汇总。海翎光电的小编目前也是在学习PHY，所以难免会有错误不足，有什么需要更正补充的，欢迎大家一起讨论交流。

    什么是PHY？  PHY（英语：Physical），中文可称之为端口物理层，是一个对OSI模型物理层的共同简称。而以太网是一个操作OSI模型物理层的设备。一个以太网PHY是一个芯片，可以发送和接收以太网的数据帧（frame）。  也就是说，PHY是网络结构中的最底层，物理层。PHY芯片是实现物理层这一层功能的芯片。网络设备之间就是通过PHY芯片相互连接的（介质是网线或者光纤）。

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    PHY芯片的硬件连接简单介绍

    拿CPU与PHY的连接举例，网络上层几层框架，基本都可以封装或集成到CPU内部，但一般PHY芯片可能会单独出来，虽然目前一些集成度高的网络设备，或者CPU也可以做到将PHY集成到一个芯片。但一般来说，PHY的功能是单独做到一个PHY芯片内部的，集成了PHY的网络设备芯片（CPU、交换机芯片等等）一般也有接口连接单独的PHY。这是因为PHY的主要功能就是将数字信号转成模拟信号，然后在网线或者光纤传输。因为模拟信号和数字信号的不同，加上不同设备之间的传输环境复杂，因此，大部分的PHY都是单独做到一个芯片内的。

    因此，在一般的网络设备电路设计中，需要为PHY芯片设计电路。PHY的芯片厂家为了满足大部分的应用场景，会在PHY上面提供很多接口协议，以供设计人员使用。比如，一颗PHY可能会支持网线传输，又或者支持光纤传输，然后在连接数据链路层这边，会提供很多的MII接口以供选择。

    由于一个PHY芯片的功能可能会比较多，因此，在PHY芯片的应用中，有一点很重要的就是要选择合适的接口来满足自己的应用。

PHY芯片的接口介绍

    MII接口

MII是连接PHY和MAC的总线。有一系列的MII总线协议来满足不同的应用场景，如MII, RMII, SMII, GMII, RGMII, SGMII, XGMII等等。

    既然有这么多的协议，为什么不使用同一种固定的总线协议呢，比如IIC或者SPI这种，这么多的总线协议，不是加大了应用设计的难度？

    这是因为，网络传输是一种高速的通信，而且是一直在发展的，导致以前的一些协议已经不能满足现在的传输要求，比如从10M/100M到现在的1G/10G等等，不同的MII接口就是为了满足不同的应用。而且，由于芯片设计的发展，也可以对一些占用资源的总线做优化改动，例如以前的并口通信，会占用很多的引脚资源，但现在由于高频通信的发展，使用串行总线也可以达到高速通信的目的，并且还节省引脚资源。

    下面介绍一些常用的MII总线协议，以供参考。 注：MII命名是有一定规律的，比如G代表1000兆，XG代表10G（万兆），R代表减少引脚，S代表串行通信，例如，RGMII就是减少引脚的1000兆MII总线，SGMII就是串行通信的1000兆MII总线。

1.MII接口模式是支持10/100兆。

2.RMII：MAC和PHY芯片之间的接线图，数据线相比MII减半,时钟为50MHZ,还是需要注意TX_CLK是由phy芯片发出,如果是需要自适应10/100M。

     3.SMII：10/100M

4. GMII：对应为千兆网；要实现1000Mb/s、100Mb/S、10Mb/S自适应必须加上TX_CLK（PHY输出）

5.RGMII：

  6.SGMII：

    7.XGMII:10G，万兆。

    SMI（MDC/MDIO）接口

    有很多PHY芯片有许多的接口和功能，需要根据自己的需求进行选择配置，配置的方法就是配置PHY内部的寄存器，而SMI接口就是PHY专门用于管理这些寄存器的一个标准协议。SMI接口是一个串行接口，接口包括两根信号线：MDC和MDIO。

    这个接口也是遵守IEEE802.3协议规范的，因此可以通过IEEE802.3协议了解SMI接口的具体细节要求。下面对SMI接口做一些简单介绍。

    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。

  MDIO：这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。

    目前SMI接口一共有两种协议，第22条款和第45条款，其中两个条款使用同样的硬件，在时序上是一致的。第22条款和45条款，就是对应IEEE802.3的22节和45节。现在一些简单的PHY内部的寄存器使用的是802.3的第22条款，只有32个寄存器，功能简单，比如一些千兆百兆PHY。而一些复杂的PHY使用的是802.3的第45条款，可以将寄存器扩展至65536个寄存器。

    注：虽然对于PHY芯片的寄存器有相关标准的规定，但厂家有可能不按照标准设计，所以最好是查看对应的芯片手册了解寄存器的功能。

    PHY的SMI接口可以由MAC侧或者MCU（单片机）控制，通过SMI接口可以实现PHY的配置以及各项参数的读取，以达到监控PHY的状态。当MCU无SMI接口时，可以使用GPIO模拟SMI接口。

  光电接口

    目前数据在网络中传输，主要的传输介质是铜缆或者光纤，在PHY芯片对应的就是电口或者光口。我们经常见到1000base-T、1000BASE-TX、1000BASE-FX这样的描述，对应的解释如下。

1000：表示传输速率；BASE: 表述基带；-T/TX：传输介质为铜介质的双绞线，其中1000BASE-T对应传输线为4对，全双工运行，时钟125MHZ。超五类网线。1000BASE-TX对应传输线也为4对，只是其中2对用来收，两对用来发。故运行时钟250HZ,对应线缆为6类网线。-FX：传输介质为光纤；光口，信号传输走的是光信号这是与上面不同的。

    PHY芯片的内部结构

    PHY它包含了多个功能模块，功能模块的多少会因需要的不同而有所增减。

比如：只有10GBase-R、40GBase-R、100GBase-R的PCS需要FEC；

40GBase-R的PCS需要2个PMA、100GBase-R的PCS需要3个PMA；

只有≥1Gbps以上的背板应用场景才会用到AN。

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  PHY由多个模块组成，各个功能模块的作用如下：

PLS：PhysicalSublayer Signaling，对MAC给的信息进行传递，只在1Mb/s、10Mb/s的应用场景才出现；

PCS：Physical Coding Sublayer，对MAC给的信息进行编码，应用于≥100 Mb/s的应用场景，比如完成8B/10B、64B/66B、256B/257B编码；

FEC：Forward Error Correction，前向纠错，与10GBase-R、40GBase-R的PCS 搭配；

RS-FEC：Reed-Solomon前向纠错，比单纯的FEC纠错能力更强，与100GBase-R的PCS 搭配，采用256B/257B编码；

PMA：Physical Medium Attachment，物理媒介适配层，PMA子层主要用于串行化和解串。PMA子层中集成了SERDES，发送和接收缓冲，时钟发生器及时钟恢复电路。

PMD：Physical Medium Dependent，物理介质相关子层，PMD子层位于整个网络的最底层，主要完成光纤连接、电/光转换等功能。PMD为电/光收发器，把输入的电压变化状态变为光波或光脉冲，以便能在光纤中传输。

AN: Auto-Negotiation Function，自动协商，使背板两侧的Device能够互换信息以发挥出彼此最大的优势；

    其中主要的常用的模块是PCS、PMA、PMD。在各种PHY芯片内部基本都有这几个模块。

    PHY的功能

  PHY的功能之一:与MAC通过MII接口进行数据传递，对发送的数据进行编码，对接收的数据进行解码 

    MAC器件通过MII接口来与PHY进行数据交换。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，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码（PCS），然后把并行数据转化为串行流数据（PMA），再按照物理层的编码规则把数据编码（PMA），再变为模拟信号把数据送出去（PMD）。

    当PHY接收数据时的流程反之。

   PHY的功能之二: CSMA/CD的部分功能

    PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它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。如果两块网卡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。