关于PHY、MAC、MII

http://blog.csdn.net/haomcu/article/details/7264606

2012

先照抄网上的一篇问答：

问：如何实现单片以太网微控制器？ 
答：诀窍是将微控制器、以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合进同一芯片，这样能去掉许多外接元器件。这种方案可使MAC和PHY实现很好的匹配，同时还可减小引脚数、缩小芯片面积。单片以太网微控制器还降低了功耗，特别是在采用掉电模式的情况下。

问：以太网MAC是什么？

答：MAC就是媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。最新的MAC同时支持10Mbps和100Mbps两种速率。通常情况下，它实现MII接口。

问：什么是MII？

答：MII即媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口(图1)。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。

问：以太网PHY是什么？

答：PHY是物理接口收发器，它实现物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范。

问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？

答：PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。芯片面积及模拟/数字混合架构是为什么先将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的原因。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。

问： 除RJ-45接口外，还需要其它元件吗？

答：需要其它元件。虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局域网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏。

问：10BaseT和100BaseTX PHY实现方式不同的原因何在？

答：两种实现的分组描述本质上是一样的，但两者的信令机制完全不同。其目的是阻止一种硬件实现容易地处理两种速度。10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。

问：什么是曼彻斯特编码？

答：曼彻斯特编码又称曼彻斯特相位编码，它通过相位变化来实现每个位(图2)。通常，用一个时钟周期中部的上升沿表示“1”，下降沿表示“0”。周期末端的相位变化可忽略不计，但有时又可能需要将这种相位变化计算在内，这取决于前一位的值。

问：什么是4B/5B编码？

答：4B/5B编码是一种块编码方式。它将一个4位的块编码成一个5位的块。这就使5位块内永远至少包含2个“1”转换，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销。

PHY：物理接口收发器，它实现物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。除了我们平时见到通过RJ-45接口连接的双绞线外，还有比较少见的通过BNC接头连接的同轴电缆，甚至还有光纤作为介质。但是这些物理上的传输介质对于上层提供的都是统一的MII接口。

MAC：媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。这个控制器通过MII接口与PHY通信。

所以对于这两层来说，中间的MII作为一个统一的接口起到了隔离所用。也就是说对于一个集成了MAC的CPU来说，可通过更换不同的PHY来实现在不同的物理介质上传输相同的数据。

                                                                                             

MII总线 

MII (Media Independent Interface(介质无关接口，或称为媒体独立接口），它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准, 描述以太网收发器与网络控制器之间的接口， 很多市场上的产品遵守这个接口.。介质无关表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。在IEEE802.3中规定的MII总线是一种用于将不同类型的PHY与相同网络控制器（MAC）相连接的通用总线。网络控制器可以用同样的硬件接口与任何PHY进行连接。

它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。

数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。

管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。MII （Management interface）只有两条信号线。

管理配置接口控制PHY的特性。该接口有32个寄存器地址，每个地址16位。其中前16个已经在“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中规定了用途，其余的则由各器件自己指定。

信号名称	数量	Direction	Description	Belong To
TX_CLK	1	Input	Transmit  Clock	10/100M信号时钟
TXD[0:3]	4	Output	Transmit Data	被发送数据
TX_ER	1	Output	Transmit Coding Error	发送器错误
TX_EN	1	Output	Transmit  Enable	发送器使能信号
RX_CLK	1	Input	Receive Clock	接收时钟信号
RXD[0:3]	4	Input	Receive Data	接收数据
RXER	1	Input	Receive Error	接收数据出错指示
RXDV	1	Input	Receive Data Valid	接收数据有效指示
COL	1	Input	Collision Detected	冲突检测
CRS	1	Input	Carner Sense	载波检测
Total bus Width	16	------------	------------------	------------------------
MDC	1	Input	Management Clock	管理配置接口时钟
MDIO	1	I/O	Management Data l/0	管理配置接口数据I/O

MII标准接口用于连快Fast Ethernet MAC-block与PHY。在其他速率下工作的与 MII等效的接口有：AUI（10M 以太网）、GMII（Gigabit 以太网）和XAUI（10-Gigabit 以太网）。

                                                                                        

GMII (Gigabit MII)

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10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准。

发送器：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信号的时钟信号（125MHz） 
◇ TXCLK——10/100M信号时钟 
◇ TXD[7..0] ——被发送数据 
◇ TXEN——发送器使能信号 
◇ TXER——发送器错误（用于破坏一个数据包）

注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信号，TXD、TXEN、TXER信号与此时钟信号同步。

在10/100M速率下，PHY提供TXCLK时钟信号，其它信号与此信号同步。其工作频率为25MHz（100M网络）或2.5MHz（10M网络）。 

接收器：

◇ RXCLK——接收时钟信号（从收到的数据中提取，因此与GTXCLK无关联） 
◇ RXD[7..0] ——接收数据 
◇ RXDV——接收数据有效指示 
◇ RXER——接收数据出错指示 
◇ COL——冲突检测（仅用于半双工状态）

◇ CRS——载波检测 

管理配置

◇ MDC——配置接口时钟 
◇ MDIO——配置接口I/O 

                                                                                        

RMII（Reduced Media Independant Interface）

        RMII是简化的MII接口，是标准的以太网接口之一。RMII的目的是减少芯片间的信号线数量，一般用在多端口的交换机。在数据的收发上它的信号线是MII接口的一半，所以它的总线时钟一般是MII的两倍。RMII不是每个端口都安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟来同步数据的收发，这里就节省了不少信号线的数目。RMII的一个端口要求7个数据线，是MII的一半，所以同样数量的信号线，交换机就能够接入多一倍的端口。和MII一样，RMII支持10兆和100兆的总线接口速度。 

                                                                                          

SMII

SMII是由思科提出的一种媒体接口，它有比RMII更少的信号线数目，S表示串行的意思。因为它只用一根信号线传送发送数据，一根信号线传输接受数据，所以在时钟上为了满足100Mbps的需求，它的时钟频率很高， 达到了125MHz，为什么用125MHz，是因为数据线里面会传送一些控制信息。SMII一个端口仅用4根信号线完成100Mbps信号的传输，比起RMII差不多又少了一倍的信号线。SMII在工业界的支持力度是很高的。同理，所有端口的数据收发都公用同一个外部的125M时钟。

                                                                                             

 对比RMII、MII和GMII

RMII口是用两根线来传输数据的； 
MII口是用4根线来传输数据的； 
GMII是用8根线来传输数据的。

MII/RMII只是一种接口，对于10M线速,MII的速率是2.5MHz，RMII则是5MHz；对于100M线速，MII的速率是25MHz，RMII则是50MHz。  

                                                                                           

以太网帧的格式：前导符+开始位+目的mac地址+源mac地址+类型/长度+数据+padding(optional)+32bitCRC 
如果有vlan，则要在类型/长度后面加上2个字节的vlan tag，其中12bit来表示vlan id，另外4bit表示数据的优先级！