MAC和PHY的工作原理

1、MAC和PHY的工作原理高端服務(wù)器研發(fā)部系統(tǒng)硬件研發(fā)處2MAC和PHY的工作原理網(wǎng)卡的構(gòu)成MAC的工作原理PHY的工作原理以太網(wǎng)工作的機(jī)制3網(wǎng)卡的構(gòu)成網(wǎng)卡：網(wǎng)絡(luò)適配器（Network Interface Card，簡稱NIC）網(wǎng)卡包括OSI模型的的兩個(gè)層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的光與電信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)接口。數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。4網(wǎng)卡的構(gòu)成5MAC芯片的主要功能實(shí)現(xiàn)MAC子層和LLC 子層的功能；提供符合規(guī)范的接口（PCI/PCIE等）以實(shí)

2、現(xiàn)和主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通過MII與PHY相連。MII:Media Independent Interface,媒體獨(dú)立接口6MAC芯片的工作原理MAC芯片模塊示意圖 7總線接口模塊一般是提供完整的PCI/PCIE總線的功能。包括中斷，DMA，主從設(shè)備應(yīng)答，PCI/PCIE配置管理，內(nèi)存讀寫，內(nèi)部寄存器訪問等等。xROM模塊指配置的串行EEPROM，它可提供MAC芯片需要的信息如硬件MAC地址等。 有時(shí)還有遠(yuǎn)程啟動(dòng)的BOOTROM ，可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)本地主機(jī)。管理控制模塊主要是芯片進(jìn)行控制和管理，它主要是通過許多寄存器來進(jìn)行的。協(xié)議處理/ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要是處理以太網(wǎng)的MAC協(xié)議，包括數(shù)據(jù)成幀，幀數(shù)據(jù)

3、收發(fā)，以及出錯(cuò)時(shí)重發(fā)等等。 8收發(fā)FIFO，一般是168bit 的FIFO，來提供數(shù)據(jù)的緩沖提供收發(fā)的性能。 MII接口控制模塊，把FIFO來的數(shù)據(jù)通過MII接口發(fā)送出去，并形成其它MII接口的控制信號(hào)。9MAC層芯片主要是提供主機(jī)（或CPU ）進(jìn)行以太網(wǎng)收發(fā)的接口。在發(fā)送部分，它接收從CPU 來的數(shù)據(jù)幀，并產(chǎn)生CRC 校驗(yàn)，再通過物理層接口將其發(fā)送出去，如在發(fā)送中出現(xiàn)沖突等問題則還要進(jìn)行重發(fā)等控制。在接收部分，它接收從物理層發(fā)來的數(shù)據(jù)組裝成數(shù)據(jù)幀，并同時(shí)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。它判斷以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的目的地址是否與本機(jī)的地址匹配，并根據(jù)主機(jī)的設(shè)置來判斷是否向主機(jī)發(fā)中斷報(bào)告各種情況（如收到一個(gè)完整的匹配數(shù)

4、據(jù)幀或接收幀中出現(xiàn)錯(cuò)誤等等）。 CRC:Cyclic Redundancy Check”，中文名是“循環(huán)冗余碼”。是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選定。10PHY芯片的主要作用對(duì)端口LINK狀態(tài)的判斷自動(dòng)協(xié)商，當(dāng)然MAC可以修改PHY的寄存器間接控制自動(dòng)協(xié)商完成MII（RMII）數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)流之間的轉(zhuǎn)化：包括4B/5B的編碼的轉(zhuǎn)化（不包括10BASE-T）；串并轉(zhuǎn)換；最后轉(zhuǎn)換成低壓信號(hào)，根據(jù)端口不同的工作模式轉(zhuǎn)換方式也有所不同。例如在100BASE-T下是MLT-3；在10BASE-T下是曼徹斯特編碼在MII的工作方式下，完成沖突檢測(cè)。若是工作

5、于RMII模式下則此項(xiàng)任務(wù)由MAC完成。PS:在RMII的時(shí)候，沖突檢測(cè)由MAC完成。MAC把TXEN和CRS_DV信號(hào)的“近似與”作為沖突的判定標(biāo)準(zhǔn)。 CRS_DV：此信號(hào)是由MII接口中的RX_DV和CRS兩個(gè)信號(hào)合并而成11PHY的工作原理10M的MII的時(shí)鐘是2.5M，100M的MII的時(shí)鐘是25MPHY芯片包括MII/GMII（介質(zhì)獨(dú)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。12100M PHY的主要模塊PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：提供4B/5B編碼、串并轉(zhuǎn)換以及沖突檢測(cè)功能，同時(shí)只要Tx

6、EN無效就提供“idle”信號(hào)給PMD層.PMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供對(duì)LINK狀態(tài)的判斷和載波偵聽的功能，完成串行信號(hào)和NRZI信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化.PMD(PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT)：提供對(duì)信號(hào)的scrambling(擾頻)/ descrambling（解擾） ；對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，在100TX下是MLT-3 , 在10T下是Manchester.MII包含兩部分，一個(gè)數(shù)據(jù)接口，以及一個(gè)MAC和PHY之間的管理接口MDIO/MDC.擾碼就是作有規(guī)律的隨機(jī)化處理后的信碼，目的是抑制線路碼中的長連“0” 和長連“1” ，便于從線路信號(hào)中提

7、取時(shí)鐘信號(hào)。13PHY芯片工作示意圖14MDIO/MDC的功能讀取PHY的狀態(tài)寄存器：端口的連接狀態(tài)；自動(dòng)協(xié)商是否完成；PHY選擇的工作模式以及其它狀態(tài)。寫PHY的寄存器： 強(qiáng)制端口的工作狀態(tài)；指導(dǎo)PHY完成自動(dòng)協(xié)商；修改端口燈的顯示模式；控制Crossover、FEFI等功能是否實(shí)施。上電的時(shí)候，MAC修改PHY的寄存器，控制端口是否進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商，以及自動(dòng)協(xié)商的能力，包括雙工、速度、流控等15以太網(wǎng)的工作的機(jī)制CSMA/CDCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)協(xié)議），是一種在共

8、享介質(zhì)條件下多點(diǎn)通訊的有效手段。所謂載波偵聽（Carrier Sense），意思是網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要確認(rèn)總線上有沒有數(shù)據(jù)傳輸。若有數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為忙），則不發(fā)送數(shù)據(jù)；若無數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為空），立即發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。 所謂多路訪問（Multiple Access），意思是網(wǎng)絡(luò)上所有工作站收發(fā)數(shù)據(jù)共同使用同一條總線，且發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播式的。 所謂沖突（Collision），意思是若網(wǎng)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上工作站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混合，這樣哪個(gè)工作站都辨別不出真正的數(shù)據(jù)是什么。這種情況稱為數(shù)據(jù)沖突，又稱為碰撞。16它的工作原理是: 發(fā)送數(shù)據(jù)前 先偵聽信道是否空閑 ,若空

9、閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道忙碌，則等待一段時(shí)間至信道中的信息傳輸結(jié)束后再發(fā)送數(shù)據(jù)；若在上一段信息發(fā)送結(jié)束后，同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都提出發(fā)送請(qǐng)求，則判定為沖突。若偵聽到?jīng)_突,則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時(shí)間,再重新嘗試。其原理簡單總結(jié)為：先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，隨機(jī)延遲后重發(fā)17以太網(wǎng)的工作機(jī)制自動(dòng)協(xié)商自動(dòng)協(xié)商的主要功能就是使物理鏈路兩端的設(shè)備自動(dòng)通過交互信息 自動(dòng)選擇一種運(yùn)行模式來運(yùn)行。自動(dòng)協(xié)商的內(nèi)容主要包括雙工模式 運(yùn)行速率 流量控制等內(nèi)容 一旦協(xié)商通過 鏈路兩端的設(shè)備就鎖定在這樣一種運(yùn)行模式下直到重新引導(dǎo)設(shè)備或重新插拔電纜。 當(dāng)連接的雙方都有自動(dòng)協(xié)商能力的時(shí)候，PHY通過發(fā)送 FLP（ Fast Link Pulse快速鏈路脈沖）來決定端口的工作模式，每一個(gè)FLP脈沖群包括33個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖間隔62.5us，脈沖群的間隔為168ms。奇數(shù)脈沖代表時(shí)鐘長有，偶數(shù)脈沖表示數(shù)據(jù)，有脈沖信號(hào)為“1”，沒有脈沖信號(hào)為“0”。每個(gè)FLP包含16bits數(shù)據(jù)即所謂的“page”。所有的支持Auto-negotiation的器件必須能夠讀懂“base page。1819整個(gè)報(bào)文按16ms間隔重復(fù)，直到自協(xié)商完成20自協(xié)商基本頁信息21 當(dāng)連接的雙方只有一方支持自動(dòng)協(xié)商的時(shí)候，