揭秘以太网通信的幕后故事：RMII(以LAN8720为例)与MII(以DP83825为例)通信全解析
本帖最后由 DKENNY 于 2025-5-22 15:22 编辑#技术资源# #申请原创# @21小跑堂
前言
接上文讲了PHY的原理，也以LAN8720（RMII）为例，实现了一些伪代码，我们知道以太网通信是嵌入式系统中连接世界的“高速公路”，而APM32F407单片机就像一个高效的“交通指挥中心”，通过其内置的以太网MAC模块，与外部PHY芯片（如LAN8720和DP83825）协作，完成数据的收发任务。
在这篇文章中，我们将以LAN8720（RMII协议）和DP83825（MII协议）为例，深入讲解这两种接口的通信过程，涵盖原理、时序、代码实现。
1、背景：为什么要用LAN8720和DP83825？
- LAN8720：一款常用的RMII接口PHY芯片，支持10Mbps和100Mbps速率，引脚少、设计简单，适合资源受限的嵌入式系统。
- DP83825：一款支持MII接口的PHY芯片，同样支持10Mbps和100Mbps，信号线多但功能全面，适合需要高可靠性的场景。
MII和RMII作为MAC与PHY之间的“桥梁”，决定了数据如何在这两者间高效传递。LAN8720用RMII协议，引脚少、设计紧凑；DP83825用MII协议，信号丰富、可靠性高。接下来，我们将详细剖析这两种模式的通信过程，带你看清数据在“高速公路”上是如何跑起来的！
2、MII与RMII通信原理：从“大路”到“窄路”的区别
在深入通信过程之前，我们先搞清楚MII和RMII的原理和区别。
2.1 MII：宽敞的“四车道高速公路”
MII（Media Independent Interface，介质无关接口）就像一条宽敞的四车道高速公路，专门为MAC和PHY之间传递数据设计。它的特点是：
- 数据宽度：每次传输4位数据（用TXD发送，RXD接收）。
- 时钟信号：用两个独立的时钟——TX_CLK（发送时钟）和RX_CLK（接收时钟）。10Mbps时钟频率是2.5MHz，100Mbps是25MHz。
- 信号线多：总共需要18根信号线，包括数据线、控制线（像TX_EN、RX_DV）和管理线（MDC、MDIO）。
MII的优点是传输稳定，适合需要高可靠性的场景，比如工业控制。但缺点也很明显：信号线多，占用了很多引脚，PCB布线也更复杂。
MII就像一条宽路，每次能跑四辆车（4位数据），但需要很多车道（18根线），修路成本高。
2.2 RMII：高效的“双车道快车道”
RMII（Reduced Media Independent Interface，精简介质无关接口）是MII的“瘦身版”，像一条双车道快车道，通过优化设计减少了引脚需求。它的特点是：
- 数据宽度：每次只传输2位数据（TXD发送，RXD接收）。
- 时钟信号：用一个统一的50MHz参考时钟（REF_CLK），取代MII的两个时钟，发送和接收都靠这个时钟同步。
- 信号线少：总共只需要9根信号线，合并了部分控制信号（如CRS和RX_DV合并为CRS_DV）。
RMII通过提高时钟频率（50MHz）和减少数据位宽，实现了与MII相同的传输效率，同时大大降低了引脚数，适合引脚资源紧张的嵌入式系统。
相比MII来说，RMII像一条窄路，每次只能跑两辆车（2位数据），但车速快（50MHz），车道少（9根线），修路成本低。
3、LAN8720（RMII）通信过程：数据在“双车道”上如何跑？
LAN8720是一款典型的RMII接口PHY芯片，广泛用于嵌入式以太网设计。我们以APM32F407和LAN8720的组合为例，详细讲解RMII通信的整个过程，从初始化到数据收发，再到时序分析。
3.1 RMII通信的硬件连接
在RMII模式下，APM32F407的MAC通过9根信号线与LAN8720连接。以下是典型的引脚分配：
信号名
APM32F407引脚
LAN8720引脚
功能
TXD0
PB12
TXD0
发送数据位0
TXD1
PB13
TXD1
发送数据位1
TX_EN
PB11
TX_EN
发送使能，告诉PHY有数据要发
RXD0
PC4
RXD0
接收数据位0
RXD1
PC5
RXD1
接收数据位1
CRS_DV
PA7
CRS_DV
载波检测/数据有效，告诉MAC有数据可收
REF_CLK
PA1
REF_CLK
50MHz参考时钟，同步发送和接收
MDC
PC1
MDC
管理时钟，用于配置PHY
MDIO
PA2
MDIO
管理数据，读写PHY寄存器
注意：
- REF_CLK可以由LAN8720提供（通过其内部晶振），也可以由外部50MHz晶振或APM32F407的时钟输出提供。
- LAN8720还需要连接RJ45接口（带变压器）和25MHz晶振（用于其内部时钟）。
3.2 RMII通信的初始化流程
在数据传输之前，APM32F407需要初始化以太网MAC和LAN8720。初始化就像“修好高速公路并设置交通规则”，主要步骤如下：
1. 使能时钟：
- 打开APM32F407的以太网MAC、GPIO和DMA的时钟。
- 确保LAN8720的电源和25MHz晶振正常工作。
2. 配置GPIO引脚：
- 将TXD0、TXD1、TX_EN、MDC、MDIO配置为复用推挽输出。
- 将RXD0、RXD1、CRS_DV配置为输入。
- REF_CLK根据时钟源配置为输入或输出。
3. 配置MAC：
- 设置RMII模式（通过ETH_MACCR寄存器）。
- 配置速度（100Mbps或10Mbps）和双工模式（全双工或半双工）。
- 使能DMA传输。
4. 配置LAN8720：
- 通过MDC和MDIO接口，写入LAN8720的寄存器，设置速度、双工模式和自动协商。
- 读取LAN8720的状态寄存器，确认链路已建立。
5. 启动通信：
- 使能MAC的发送和接收功能，准备好数据缓冲区。
代码示例：RMII初始化
#include "apm32f4xx_eth.h"
#include "apm32f4xx_gpio.h"
#include "apm32f4xx_rcm.h"
void RMII_Init(void)
{
GPIO_Config_T gpioConfig;
ETH_Config_T ethConfig;
// 使能时钟
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_ETHMAC | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACTX | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACRX);
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOA | RCM_APB2_PERIPH_GPIOB | RCM_APB2_PERIPH_GPIOC);
// 配置GPIO引脚
gpioConfig.mode = GPIO_MODE_AF;
gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
gpioConfig.outType = GPIO_OUT_TYPE_PP;
gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NOPULL;
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_7;
GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfig);
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13;
GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfig);
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5;
GPIO_Config(GPIOC, &gpioConfig);
GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_1, GPIO_AF_ETH); // REF_CLK
GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_2, GPIO_AF_ETH); // MDIO
// ... 其他引脚复用配置
// 配置MAC
ethConfig.mode = ETH_MODE_FULLDUPLEX;
ethConfig.speed = ETH_SPEED_100M;
ethConfig.interface = ETH_INTERFACE_RMII;
ETH_Config(ðConfig);
// 配置LAN8720
ETH_WritePHYRegister(0x00, 0x00, 0x3100); // 设置100Mbps，全双工
ETH_Start();
}
3.3 RMII发送数据的通信过程
假设APM32F407要发送一个数据包（比如一个UDP包），RMII的发送过程就像“把货物装上卡车，通过双车道送到目的地”。具体步骤如下：
1. 准备数据：
- 应用程序（比如LwIP协议栈）生成一个数据包，存储在内存中。
- MAC的DMA控制器将数据从内存搬到TX缓冲区。
2. 通知发送：
- MAC把数据分成2位一组，依次放到TXD上。
- 同时置TX_EN为高，告诉LAN8720“有数据要发”。
3. 数据传输：
- LAN8720在REF_CLK的上升沿采样TXD上的2位数据。
- 因为RMII每次只传2位，而MII一次传4位，所以RMII用50MHz的REF_CLK，速度快一倍，保证传输效率。
- 数据传输完成后，MAC置TX_EN为低，表示发送结束。
4. PHY处理：
- LAN8720将收到的数字数据编码为物理信号（比如曼彻斯特编码），通过RJ45接口发送到网线。
3.4 RMII接收数据的通信过程
接收过程就像“从网线收到货物，通过双车道运回仓库”。具体步骤如下：
1. PHY接收信号：
- LAN8720从网线接收物理信号，解码为数字数据。
- 数据被分成2位一组，准备通过RXD发送给MAC。
2. 通知接收：
- LAN8720置CRS_DV为高，表示“有数据可收”或“链路有信号”。
- 数据被放到RXD上。
3. 数据传输：
- MAC在REF_CLK的上升沿采样RXD上的2位数据。
- 每2位数据需要一个50MHz时钟周期，MAC将数据拼凑成完整的数据包。
4. 存储数据：
- MAC的DMA控制器将接收到的数据搬到RX缓冲区。
- 应用程序读取缓冲区数据，完成接收。
3.5 RMII的管理接口（MDC/MDIO）
除了数据传输，MAC还需要通过MDC和MDIO配置LAN8720或读取其状态。比如：
- 设置LAN8720为100Mbps全双工模式。
- 检查链路是否连接（通过读取状态寄存器）。
过程：
- MDC提供1-2.5MHz的时钟信号。
- MDIO传输数据帧，包含操作码（读/写）、PHY地址、寄存器地址和数据。
- 比如，写入LAN8720的控制寄存器（地址0x00）值为0x3100，设置100Mbps全双工。
代码示例：MDIO配置
void ConfigureLAN8720(void)
{
// 设置100Mbps，全双工
ETH_WritePHYRegister(0x00, 0x00, 0x3100);
// 读取状态寄存器
uint16_t status;
ETH_ReadPHYRegister(0x00, 0x01, &status);
if (status & 0x0004) {
printf("Link is up!\n");
}
}
4、DP83825（MII）通信过程：数据在“四车道”上如何跑？
DP83825是一款MII接口PHY芯片，信号线多但功能全面。同样的，我们以APM32F407和DP83825为例，讲解MII通信的完整过程。
4.1 MII通信的硬件连接
MII模式需要18根信号线，APM32F407与DP83825的引脚分配如下：
信号名
APM32F407引脚
LAN8720引脚
功能
TXD0
PG13
TXD0
发送数据位0
TXD1
PG14
TXD1
发送数据位1
TXD2
PC2
TXD2
发送数据位2
TXD3
PB8
TXD3
发送数据位3
TX_EN
PG11
TX_EN
发送使能，告诉PHY有数据要发
TXCLK
PC3
TXCLK
发送时钟（2.5/25MHz）
RXD0
PC4
RXD0
接收数据位0
RXD1
PC5
RXD1
接收数据位1
RXD2
PH6
RXD2
接收数据位2
RXD3
PH7
RXD3
接收数据位3
RX_DV
PA7
RX_DV
接收数据有效
RX_CLK
PA1
RX_CLK
接收时钟（2.5/25MHz）
RX_ER
PI10
RX_ER
接收错误
CRS
PH2
CRS
载波检测/数据有效，告诉MAC有数据可收
COL
PH3
COL
冲突检测
MDC
PC1
MDC
管理时钟，用于配置PHY
MDIO
PA2
MDIO
管理数据，读写PHY寄存器
注意：
- TX_CLK和RX_CLK由DP83825提供，频率根据速率（10Mbps为2.5MHz，100Mbps为25MHz）。
- DP83825还需要25MHz晶振和RJ45接口。
4.2 MII通信的初始化流程
MII的初始化与RMII类似，但需要配置更多引脚和设置MII模式。步骤如下：
1. 使能时钟：
- 打开以太网MAC、GPIO和DMA时钟。
- 确保DP83825的电源和晶振正常。
2. 配置GPIO引脚：
- 配置TXD、TX_EN、MDC、MDIO为复用推挽输出。
- 配置RXD、RX_DV、RX_CLK、CRS、COL为输入。
3. 配置MAC：
- 设置MII模式（ETH_MACCR寄存器）。
- 配置速度和双工模式。
4. 配置DP83825：
- 通过MDC/MDIO设置速度、双工模式和自动协商。
5. 启动通信：
- 使能MAC的发送和接收。
代码示例：MII初始化
#include "apm32f4xx_eth.h"
#include "apm32f4xx_gpio.h"
#include "apm32f4xx_rcm.h"
void MII_Init(void)
{
GPIO_Config_T gpioConfig;
ETH_Config_T ethConfig;
// 使能时钟
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_ETHMAC | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACTX | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACRX);
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOA | RCM_APB2_PERIPH_GPIOB | RCM_APB2_PERIPH_GPIOC);
// 配置GPIO引脚
gpioConfig.mode = GPIO_MODE_AF;
gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
gpioConfig.outType = GPIO_OUT_TYPE_PP;
gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NOPULL;
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_7;
GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfig);
gpioConfig.pin = GPIO_PIN_8;
GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfig);
// ... 其他引脚初始化配置
GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_1, GPIO_AF_ETH); // RX_CLK
GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_2, GPIO_AF_ETH); // MDIO
// ... 其他引脚复用配置
// 配置MAC
ethConfig.mode = ETH_MODE_FULLDUPLEX;
ethConfig.speed = ETH_SPEED_100M;
ethConfig.interface = ETH_INTERFACE_MII;
ETH_Config(ðConfig);
// 配置DP83825
ETH_WritePHYRegister(0x00, 0x00, 0x3100); // 设置100Mbps，全双工
ETH_Start();
}
4.3 MII发送数据的通信过程
MII的发送过程就像“用四车道大卡车运送货物”。步骤如下：
1. 准备数据：
- 应用程序生成数据包，DMA将数据搬到TX缓冲区。
2. 通知发送：
- MAC将数据分成4位一组，放到TXD上。
- 置TX_EN为高，通知DP83825开始发送。
3. 数据传输：
- DP83825在TX_CLK的上升沿采样TXD上的4位数据。
- TX_CLK由DP83825提供，100Mbps时为25MHz。
- 发送完成后，MAC置TX_EN为低。
4. PHY处理：
- DP83825将数据编码为物理信号，发送到网线。
4.4 MII接收数据的通信过程
MII的接收过程就像“从网线收到货物，用四车道运回”。步骤如下：
1. PHY接收信号：
- DP83825从网线接收信号，解码为4位数据。
2. 通知接收：
- DP83825置RX_DV为高，表示数据有效。
- 将4位数据放到RXD上。
3. 数据传输：
- MAC在RX_CLK的上升沿采样RXD上的4位数据。
- RX_CLK由DP83825提供，100Mbps时为25MHz。
4. 存储数据：
- DMA将数据搬到RX缓冲区，应用程序读取。
4.5 MII的管理接口（MDC/MDIO）
与RMII类似，MII也通过MDC和MDIO配置DP83825，过程相同，不再赘述。
5、MII与RMII的对比：LAN8720 vs DP83825
通过LAN8720和DP83825的通信过程，我们可以总结两者的差异：
特性
LAN8720(RMII)
DP83825(MII)
数据宽度
2位（TXD, RXD）
4位（TXD, RXD）
时钟
单一50MHz REF_CLK
两个时钟（TX_CLK, RX_CLK，25MHz）
信号线数量
9根
18根
引脚需求
少，适合小型封装
多，适合引脚充足的芯片
PCB布线
简单，但REF_CLK需严格阻抗匹配
复杂，信号线多需避免干扰
适用场景
成本敏感、引脚受限的系统
高可靠性、支持半双工的系统
总结上文，
- LAN8720（RMII）就像一辆轻便的快递车，跑得快（50MHz），占道少（9根线），适合短途快速送货。
- DP83825（MII）就像一辆重型卡车，载货多（4位/周期），占道多（18根线），适合长途稳定运输。
6、调试与常见问题
在实际开发中，RMII和MII通信可能会遇到问题。以下是常见问题和解决办法：
1. 问题：无法ping通：
- RMII：检查REF_CLK是否为50MHz，LAN8720的晶振是否正常。
- MII：检查TX_CLK和RX_CLK是否正确输出（用示波器测量）。
- 确认PHY地址和寄存器配置是否正确。
2. 问题：数据包丢失：
- RMII：检查REF_CLK布线是否过长，添加33Ω串联电阻。
- MII：确保TXD/RXD信号线等长，减少信号偏差。
3. 问题：链路未建立：
- 检查MDC/MDIO时序，确认PHY寄存器是否正确配置。
- 检查RJ45接口和网线连接。
7、总结
通过对LAN8720（RMII）和DP83825（MII）的通信过程的详细剖析，我们从硬件连接、初始化、数据收发到时序分析，全面揭开了以太网通信的“神秘面纱”。RMII以其高效和低引脚数的优势，适合成本敏感的嵌入式系统；MII则以高可靠性和全面的功能，适合复杂场景。
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