有线以太网(Ethernet)

Etheret这个词一般指的就是有线以太网，若涉及无线网络，通常会使用Wi-Fi或其他明确术语

嵌入式网络概述

之前总是听到“网卡”这个词，实际上他是个非常笼统的概念包含了多个硬件。实际上需要以下的具体硬件来实现Ethernet：

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  • MAC控制器：它负责OSI体系中数据链路层的工作（以太网帧的封装、差错与流量控制、MAC地址寻址…）

    • MAC可能位于SoC的内部，也可能外接。如果说一个SoC具备网络功能，一般指的SoC内部有MAC外设

  • PHY(物理层收发器)芯片：它负责OSI体系中物理层的工作：

    • PHY一般位于SoC外部
    • 信号转换：MAC层的数字信号 <—-> RJ45的模拟信号
    • 时钟同步：从信号中提取时钟，确保数据采样准确（如通过PLL锁相环）
    • 自适应协商：自动协商速率（10/100/1000Mbps）和双工模式（全/半双工）
    • 电气隔离和抗干扰：与耦合到RJ45网络接口上的变压器芯片直接相连

  • 网络接口&网络变压器模块

    • 网络接口一般指的就是RJ45接口。黄灯亮表示正在进行网络连接；绿灯亮表示网络连接正常，这2个灯由PHY芯片上的引脚控制
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    • 网络变压器模块一般是一个芯片，通常和RJ45搭配使用，主要是为了滤波、防止干扰等
    • 目前也有集成了变压器的RJ45，比如正点原子使用的HR911105A

MAC控制器和PHY芯片是一一对应的，有几个MAC控制器，就要几个PHY和RJ45接口

嵌入式网络方案

刚才提到MAC可能在SoC内部，也有可能在外边，这就引申出2个方案：

内部没有MAC外设

外置网络芯片一般都是MAC控制器+PHY一体的，SoC可以通过某些接口与该芯片通信从而获得网络功能，但是这种方案一般速度比较慢（10/100M），因为内置MAC外设一般有专用DMA

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内部有MAC外设

内部的MAC外设会通过MII或者RMII接口来传输网络数据，使用MIDO接口配置或读取PHY芯片的内部寄存器

MDIO很类似IIC，也是两根线，一根数据线叫做MDIO，一根时钟线叫做MDC

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内部有MAC外设时一般支持更快的网速：10/100/100M，并且外部PHY芯片的价格肯定低于MAC+PHY

相关接口

MII

MII全称是Media Independent Interface，直译过来就是介质独立接口，它是 IEEE-802.3 定义的以太网标准接口，MII 接口用于以太网 MAC 连接 PHY 芯片，一共16根线

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RMII

RMII全称是Reduced Media Independent Interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是MII接口的精简版本。RMII接口只需要7根数据线，相比MII直接减少了9根，极大的方便了板子布线

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MDIO

MDIO全称是Management Data Input/Output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，一根MDIO数据线，一根MDC时钟线。驱动程序可以通过MDIO和MDC这两根线访问PHY芯片的任意一个寄存器。MDIO接口支持多达32个PHY。为了区分不同的PHY芯片，每个PHY都自带一个器件地址（正点原子开发版上的是0x01）。同一MDIO接口下的所有PHY芯片，其器件地址不能冲突，必须保证唯一，具体器件地址值要查阅相应的PHY数据手册

MAC控制器

不同芯片的MAC控制器可能名字不太一样，但是功能都是一样的。i.mx6ull的MAC外设叫ENET（或者设备树里也叫fec），它的具体功能如下：

  1. 实现了全功能的 802.3 规范前导码/SFD 生成、帧填充、CRC 生成和检查

  2. 支持零长的前导码

  3. 支持 10/100M 动态配置

  4. 兼容 AMD 远端节点电源管理的魔术帧中断检测

  5. 可以通过如下接口无缝的连接 PHY 芯片：

    • 4bit 的 MII 接口，频率为 2.5/25MHz

    • 4bit 的 MII-Lite 接口，也就是 MII 接口取消掉 CRS 和 COL 这两根线，频率也是2.5/25MHz

    • 2bit 的 RMII 接口，频率为 50MHz

  6. MAC 地址可编程

  7. 多播和单播地址过滤，降低更高层的处理负担

  8. MDIO 主接口，用于管理和配置 PHY 设备

PHY

PHY是Physical Layer Transceiver（物理层收发器）的缩写，本质是负责在物理介质上传输和接收原始信号的硬件模块。虽然它在以太网中最常见，但PHY的概念广泛存在于多种通信协议中。无论何种通信协议，PHY的核心任务始终是：

  • 信号转换：将数字信号（来自MAC或协议控制器）转换为适合物理介质传输的模拟信号，反之亦然。比如：以太网PHY将RMII接口的数字信号转为网线上的差分电压
  • 时钟同步：从信号中恢复时钟，确保数据采样准确
  • 介质适配：匹配物理介质的电气特性（如阻抗、电压、光功率）
  • 抗干扰与隔离：抑制噪声、提供电气隔离（如以太网变压器的1500V隔离）

不同协议中的PHY

  • 以太网PHY：
    • 作用：连接MAC层的MII/RMII接口与RJ45网口，处理曼彻斯特编码、自适应协商等
    • 典型PHY芯片：LAN8720A（10/100M）、RTL8211（千兆）
  • USB PHY：
    • 负责将USB控制器的数字信号转换为差分信号（D+/D-）
    • 示例：STM32的USB OTG模块需外接USB3300 PHY芯片
  • PCIE PHY：
    • 将并行数据转为高速串行信号（如PCIe 3.0的8GT/s）
  • wifi/蓝牙 PHY：
    • 处理基带信号与射频信号的转换（如OFDM调制、2.4GHz载波）
    • 示例：ESP32的Wi-Fi/BT模块集成射频PHY
  • RS485 PHY：
    • 将UART信号转为差分总线信号
  • CAN PHY：
    • 处理CAN控制器的电平转换

以太网PHY

以太网PHY是IEEE802.3规定的一个标准模块，SOC可以对PHY进行配置或者读取PHY相关状态，这个就需要PHY内部寄存器去实现了。PHY芯片寄存器地址空间为5位，地址031共32个寄存器，IEEE定义了015这16个寄存器的功能，1631这16个寄存器由厂商自行实现。也就是说不管你用的哪个厂家的PHY芯片，其中015这16个寄存器是一模一样的。仅靠这16个寄存器是完全可以驱动起PHY芯片的，至少能保证基本的网络数据通信，因此Linux内核有通用PHY驱动，按道理来讲，不管你使用的哪个厂家的PHY芯片，都可以使用Linux的这个通用PHY驱动来验证网络工作是否正常。

事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致Linux内核的通用PHY驱动工作不正常，这个时候就需要驱动开发人员去调试了。但是，随着现在的PHY芯片性能越来越强大，32个寄存器可能满足不了厂商的需求，因此很多厂商采用分页技术来扩展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。这些多出来的寄存器可以用于实现厂商特有的一些技术，因此Linux内核的通用PHY驱动就无法驱动这些特色功能了，这个时候就需要PHY厂商提供相应的驱动源码了，所以大家也会在Linux内核里面看到很多具体的PHY芯片驱动源码。不管你的PHY芯片有多少特色功能，按道理来讲，Linux内核的通用PHY驱动是绝对可以让你这PHY芯片实现基本的网络通信，因此大家也不用担心更换PHY芯片以后网络驱动编写是不是会很复杂