MAC/PHY與MII(GMII/SGMII/RGMII) (二)-MAC是什麼

 

MAC（Media Access Control）即媒體訪問控制子層協議。

該部分有兩個概念：MAC能夠是一個硬件控制器 及 MAC通訊以協議。該協議位於OSI七層協議中數據鏈路層的下半部分，主要負責控制與鏈接物理層的物理介質。

MAC硬件大約就是下面的樣子：

在發送數據的時候，MAC協議能夠事先判斷是否能夠發送數據，若是能夠發送將給數據加上一些控制信息，最終將數據以及控制信息以規定的格式發送到物理層；在接收數據的時候，MAC協議首先判斷輸入的信息並是否發生傳輸錯誤，若是沒有錯誤，則去掉控制信息發送至LLC(邏輯鏈路控制)層。該層協議是以太網MAC由IEEE-802. 3以太網標準定義。

以太網數據鏈路層其實包含MAC(介質訪問控制)子層和LLC(邏輯鏈路控制)子層。一塊以太網卡MAC芯片的做用不但要實現MAC子層和LLC子層的功能，還要提供符合規範的PCI界面以實現和主機的數據交換。

MAC從PCI總線收到IP數據包(或者其餘網絡層協議的數據包)後，將之拆分並從新打包成最大1518Byte、最小64Byte的幀。這個幀裏面包括了目標MAC地址、本身的源MAC地址和數據包裏面的協議類型(好比IP數據包的類型用80表示，最後還有一個DWORD(4Byte)的CRC碼。

但是目標的MAC地址是哪裏來的呢？這牽扯到一個ARP協議(介乎於網絡層和數據鏈路層的一個協議)。第一次傳送某個目的IP地址的數據的時候，先會發出一個ARP包，其MAC的目標地址是廣播地址，裏面說到：「誰是xxx.xxx.xxx.xxx這個IP地址的主人？」由於是廣播包，全部這個局域網的主機都收到了這個ARP請求。收到請求的主機將這個IP地址和本身的相比較，若是不相同就不予理會，若是相同就發出ARP響應包。這個IP地址的主機收到這個ARP請求包後回覆的ARP響應裏說到：「我是這個IP地址的主人」。這個包裏面就包括了他的MAC地址。之後的給這個IP地址的幀的目標MAC地址就被肯定了。(其它的協議如IPX/SPX也有相應的協議完成這些操做)。

IP地址和MAC地址之間的關聯關係保存在主機系統裏面，叫作ARP表。由驅動程序和操做系統完成。在Microsoft的系統裏面能夠用arp-a 的命令查看ARP表。收到數據幀的時候也是同樣，作完CRC校驗之後，若是沒有CRC效驗錯誤，就把幀頭去掉，把數據包拿出來經過標準的接口傳遞給驅動和上層的協議棧。最終正確的達到咱們的應用程序。

還有一些控制幀，例如流控幀也須要MAC直接識別並執行相應的行爲。

以太網MAC芯片的一端接計算機PCI總線，另一端就接到PHY芯片上，它們之間是經過MII接口連接的。

一個MAC的結構圖以下圖所示：

第二部分、什麼是MII

MII（Media Independent Interface）即媒體獨立接口，MII接口是MAC與PHY鏈接的標準接口。它是IEEE-802.3定義的以太網行業標準。MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯技術，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數據傳輸速率，數據傳輸的位寬爲4位。"媒體獨立"代表在不對MAC硬件從新設計或替換的狀況下，任何類型的PHY設備均可以正常工做。802.3協議最多支持32個PHY，但有必定的限制：要符合協議要求的connector特性。MII接口以下圖所示：

後來還有GMII（1Gbps）、10GMII、25GMII、200GMII和500GMII等。

提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名詞術語，下面講一下他們之間對應的關係。

所謂RS即Reconciliation sublayer，它的主要功能主要是提供一種MII和MAC/PLS之間的信號映射機制。它們(RS與MII)之間的關係以下圖：

MII的Management Interface是與STA（Station Management）相連的。

注：關於本節，具體可參考IEEE以太網標準802.3的22.3 Signal timing characteristics節，其中包含時鐘信號等更詳細內容。

MII接口主要包括四個部分：

一是從MAC層到PHY層的發送數據接口；

二是從PHY層到MAC層的接收數據接口；

三是從PHY層到MAC層的狀態指示信號；

四是MAC層和PHY層之間傳送控制和狀態信息的MDIO接口。

MII包括一個數據接口，以及一個MAC和PHY之間的管理接口：

• ※數據接口： 包括分別用於發送器和接收器的兩條獨立信道。每條信道都有本身的數據、時鐘和控制信號。MII數據接口總共須要16個信號，包括

• ※TX_ER（transmit coding error）： TX_ER同步於TX_CLK，在數據傳輸過程當中，若是TX_ER有效超過一個時鐘週期，而且此時TX_EN是有效的，則數據通道中傳輸的數據是無效的，沒用的。注：當TX_ER有效並不影響工做在10Mb/s的PHY或者TX_EN無效時的數據傳輸。在MII接口的連線中，若是TX_ER信號線沒有用到，必須將它下拉接地。

• ※TXD<3:0>（transmit data）： TXD由RS驅動，同步於TX_CLK，在TX_CLK的時鐘週期內，而且TX_EN有效，TXD上的數據被PHY接收，不然TXD的數據對PHY沒有任何影響。

• ※TX_EN： 發送使能。TX_EN由Reconciliation子層根據TX_CLK上升沿同步進行轉換。

• ※TX_CLK（transmit clock）： TX_CLK (Transmit Clock)是一個連續的時鐘信號（即系統啓動，該信號就一直存在），它是TX_EN,  TXD,  and  TX_ER(信號方向爲從RS到PHY)的參考時鐘，TX_CLK由PHY驅動TX_CLK的時鐘頻率是數據傳輸速率的25%，誤差±100ppm。例如，100Mb/s模式下，TX_CLK時鐘頻率爲25MHz，佔空比在35%至65%之間。

• ※COL（collision detected）： COL不須要同步於參考時鐘。The behavior of the COL signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one（自動協商禁止，人工設爲全雙工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半雙工模式信號有效，全雙工模式信號無效。

• ※RXD<3:0>（receive data）： RXD由RS驅動，同步於RX_CLK，在RX_CLK的時鐘週期內，而且RX_DV有效，RXD上的數據被RS接收，不然RXD的數據對RS沒有任何影響。While  RX_DV  is  de-asserted,  the  PHY  may  provide  a  False  Carrier  indication  by  asserting the RX_ER signal while driving the value <1110> onto RXD<3:0>。

• ※RX_ER（receive  error）： RX_ER同步於RX_CLK，其在RX通道中的做用相似於TX_ER對於TX通道數據傳輸的影響。

• ※RX_CLK： 它與TX_CLK具備相同的要求，所不一樣的是它是RX_DV, RXD, and RX_ER(信號方向是從PHY到RS)的參考時鐘。RX_CLK一樣是由PHY驅動，PHY可能從接收到的數據中提取時鐘RX_CLK，也有可能從一個名義上的參考時鐘(e.g., the TX_CLK reference)來驅動RX_CLK。

• ※CRS（carrier sense）： CRS不須要同步於參考時鐘，只要通道存在發送或者接收過程，CRS就須要有效。The behavior of the CRS signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one(自動協商禁止，人工設爲全雙工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半雙工模式信號有效，全雙工模式信號無效。

• ※RX_DV（Receive Data Valid）： RXD_DV同步於RX_CLK，被PHY驅動，它的做用如同於發送通道中的TX_EN，不一樣的是在時序上稍有一點差異：爲了讓數據可以成功被RS接收，要求RXD_DV有效的時間必須覆蓋整個FRAME的過程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter。

• ※MII以4位半字節方式傳送數據雙向傳輸，時鐘速率25MHz。其工做速率可達100Mb/s。

• ※MII管理接口： 是個雙信號接口，經過管理接口，MAC就能監視和控制PHY。其管理是使用SMI(Serial Management Interface) 總線經過讀寫PHY的寄存器來完成的。一個是時鐘信號（***MDC (management data clock)***）。另外一個是數據信號（***MDIO (management data input/output)***）。

• ※MDC： 由站管理實體向PHY提供，做爲在MDIO信號上傳送信息的定時參考。 MDC是一種非週期性的信號，沒有最高或最低時間。 不管TX_CLK和RX_CLK的標稱週期如何，MDC的最小高低時間應爲160 ns，MDC的最小週期爲400 ns。

• ※MDIO： 是PHY和STA之間的雙向信號。 它用於在PHY和STA之間傳輸控制信息和狀態。 控制信息由STA同步地針對MDC驅動而且由PHY同步地採樣。 狀態信息由PHY針對MDC同步驅動並由STA同步採樣。

PHY 裏面的部分寄存器是IEEE定義的，這樣PHY把本身的目前的狀態反映到寄存器裏面，MAC 經過SMI 總線不斷讀取PHY 的狀態寄存器以得知目前PHY 的狀態。例如鏈接速度、雙工的能力等。固然也能夠經過SMI設置PHY的寄存器達到控制的目的。例如流控的打開關閉、自協商模式仍是強制模式等。不管是物理鏈接的MII總線和SMI總線仍是PHY的狀態寄存器和控制寄存器都是由IEEE的規範的。所以不一樣公司的MAC和PHY同樣能夠協調工做。固然爲了配合不一樣公司的PHY的本身特有的一些功能，驅動須要作相應的修改。

MII支持10Mbps和100Mbps的操做，一個接口由14根線組成，它的支持仍是比較靈活的。可是有一個缺點是由於它一個端口用的信號線太多，若是一個8端口的交換機要用到112根線，16端口就要用到224根線，到32端口的話就要用到448根線。通常按照這個接口作交換機是不太現實的。因此現代的交換機的製做都會用到其它的一些從MII簡化出來的標準，好比RMII、SMII、GMII等。

RMII（Reduced Media Independant Interface，簡化媒體獨立接口）是標準的以太網接口之一，比MII有更少的I/O傳輸。RMII口是用兩根線來傳輸數據的，MII口是用4根線來傳輸數據的，GMII是用8根線來傳輸數據的。MII/RMII只是一種接口，對於10Mbps線速，MII的時鐘速率是2.5MHz就能夠了，RMII則須要5MHz；對於100Mbps線速，MII須要的時鐘速率是25MHz，RMII則是50MHz。

MII/RMII用於傳輸以太網包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太網的PHY裏須要作串並轉換，編解碼等才能在雙絞線和光纖上進行傳輸，其幀格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。

以太網幀的格式爲：前導符+開始位+目的mac地址+源mac地址+類型/長度+數據+padding(optional)+32bitCRC。

若是有vlan,則要在類型/長度後面加上2個字節的vlan tag，其中12bit來表示vlan id,另外4bit表示數據的優先級。

GMII是千兆網的MII接口，這個也有相應的RGMII接口，表示簡化了的GMII接口。

GMII採用8位接口數據，工做時鐘125MHz，所以傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規定的10/100 Mbps工做方式。GMII接口數據結構符合IEEE以太網標準，該接口定義見IEEE 802.3。

• 發送器：

• 在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號、TXD、TXEN、TXER信號與此時鐘信號同步。不然在10/100Mbps速率下，PHY提供TXCLK時鐘信號，其它信號與此信號同步。其工做頻率爲25MHz(100M網絡)或2.5MHz(10M網絡)。

• ※GTXCLK——吉比特TX…信號的時鐘信號(125MHz)

• ※TXCLK——10/100Mbps信號時鐘

• ※TXD[7…0]——被髮送數據

• ※TXEN——發送器使能信號

• ※TXER——發送器錯誤(用於破壞一個數據包)

• 接收器：

• ※RXCLK——接收時鐘信號(從收到的數據中提取,所以與GTXCLK無關聯)

• ※RXD[7…0]——接收數據

• ※RXDV——接收數據有效指示

• ※RXER——接收數據出錯指示

• ※COL——衝突檢測(僅用於半雙工狀態)

• 管理配置： 管理配置接口控制PHY的特性。該接口有32個寄存器地址，每一個地址16位。其中前16個已經在「IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions」中規定了用途,其他的則由各器件本身指定。

• ※MDC——配置接口時鐘

• ※MDIO——配置接口I/O