STM32对PHY和MAC的理解

只看该作者 · 2023-7-26 17:56

背景简介
网络通信至少是两个设备的事，需要相互兼容的硬件和软件支持，我们称之为通信协议。以太网通信在结构比较复杂，国际标准组织将整个以太网通信结构制定了 OSI 模型，总共分层七个层，分别为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层，每个层功能不同，通信中各司其职，整个模型包括硬件和软件定义。 OSI 模型是理想分层，一般的网络系统只是涉及其中几层。

TCP/IP 是互联网最基本的协议，是互联网通信使用的网络协议，由网络层的 IP 协议和传输层的 TCP 协议组成。 TCP/IP 只有四个分层，分别为应用层、传输层、网络层以及网络访问层。虽然 TCP/IP 分层少了，但与 OSI 模型是不冲突的，它把 OSI 模型一些层次整合一起的，本质上可以实现相同功能。

实际上，还有一个 TCP/IP 混合模型，分为五个层，参考图 42-1，它实际与 TCP/IP 四层模型是相通的，只是把网络访问层拆成数据链路层和物理层。这种分层方法对我们学习理解更容易。

设计网络时，为了降低网络设计的复杂性，对组成网络的硬件、软件进行封装、分层，这些分层即构成了网络体系模型。在两个设备相同层之间的对话、通信约定，构成了层级协议。设备中使用的所有协议加起来统称协议栈。在这个网络模型中，每一层完成不同的任务，都提供接口供上一层访问。而在每层的内部，可以使用不同的方式来实现接口，因而内部的改变不会影响其它层。

在 TCP/IP 混合参考模型中，数据链路层又被分为 LLC 层(逻辑链路层)和 MAC 层(媒体介质访问层)。目前，对于普通的接入网络终端的设备， LLC 层和 MAC 层是软、硬件的分界线。如 PC 的网卡主要负责实现参考模型中的 MAC 子层和物理层，在 PC 的软件系统中则有一套庞大程序实现了 LLC 层及以上的所有网络层次的协议。

由硬件实现的物理层和 MAC 子层在不同的网络形式有很大的区别，如以太网和 Wi-Fi，这是由物理传输方式决定的。但由软件实现的其它网络层次通常不会有太大区别，在 PC上也许能实现完整的功能，一般支持所有协议，而在嵌入式领域则按需要进行裁剪。

只看该作者 · 2023-7-26 17:57

网卡结构
网卡是一块被设计用来允许计算机在计算机网络上进行通讯的计算机硬件。**由于其拥有MAC地址，因此属于OSI模型的第2层。**它使得用户可以通过电缆或无线相互连接。每一个网卡都有一个被称为MAC地址的独一无二的48位串行号，它被写在卡上的一块ROM中。在网络上的每一个计算机都必须拥有一个独一无二的MAC地址。没有任何两块被生产出来的网卡拥有同样的地址。这是因为电气电子工程师协会（IEEE）负责为网络接口控制器（网卡）销售商分配唯一的MAC地址。以太网卡中数据链路层的芯片一般简称之为MAC控制器，物理层的芯片我们简称之为PHY。

只看该作者 · 2023-7-26 17:57

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。

1.2.1 简介
PHY是物理接口收发器，它实现物理层。包括MII/GMII（介质独立接口）子层、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质相关）子层、MDI子层。

只看该作者 · 2023-7-26 17:58

功能
100BaseTX采用4B/5B编码。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，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。

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。如果两个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。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。

只看该作者 · 2023-7-26 17:58

MAC
MAC（Media Access Control）即媒体访问控制子层协议。该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器及 MAC通信以协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。

只看该作者 · 2023-7-26 17:59

MAC硬件大约就是下面的样子了：

在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。该层协议是以太网MAC由IEEE-802. 3以太网标准定义。最新的MAC同时支持 10Mbps和100Mbps两种速率。
以太网数据链路层其实包含MAC(介质访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层。一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子层和LLC子层的功能，还要提供符合规范的PCI界面以实现和主机的数据交换。
MAC从PCI总线收到IP数据包(或者其他网络层协议的数据包)后，将之拆分并重新打包成最大1518Byte、最小64Byte的帧。这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型(比如IP数据包的类型用80表示，最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码。
可是目标的MAC地址是哪里来的呢？这牵扯到一个ARP协议(介乎于网络层和数据链路层的一个协议)。第一次传送某个目的IP地址的数据的时候，先会发出一个ARP包，其MAC的目标地址是广播地址，里面说到：“谁是xxx.xxx.xxx.xxx这个IP地址的主人？”因为是广播包，所有这个局域网的主机都收到了这个ARP请求。收到请求的主机将这个IP地址和自己的相比较，如果不相同就不予理会，如果相同就发出ARP响应包。这个IP地址的主机收到这个ARP请求包后回复的ARP响应里说到：“我是这个IP地址的主人”。这个包里面就包括了他的MAC地址。以后的给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了。(其它的协议如IPX/SPX也有相应的协议完成这些操作)
IP地址和MAC地址之间的关联关系保存在主机系统里面，叫做ARP表。由驱动程序和操作系统完成。在Microsoft的系统里面可以用arp-a 的命令查看ARP表。收到数据帧的时候也是一样，做完CRC校验以后，如果没有CRC效验错误，就把帧头去掉，把数据包拿出来通过标准的接口传递给驱动和上层的协议栈。最终正确的达到我们的应用程序。

只看该作者 · 2023-7-26 18:03

MII
MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。"媒体独立"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。802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。

只看该作者 · 2023-7-26 18:04

1.5 RMII(Reduced Media Independant Interface)
简化媒体独立接口是标准的以太网接口之一，比MII有更少的I/O传输。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10Mbps线速，MII的时钟速率是2.5MHz就可以了，RMII则需要5MHz；对于100Mbps线速，MII需要的时钟速率是25MHz，RMII则是50MHz。
MII/RMII用于传输以太网包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太网的PHY里需要做串并转换，编解码等才能在双绞线和光纤上进行传输，其帧格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。以太网帧的格式为：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！