以太网：MAC、PHY、MII、RMII、GMII、RGMII的区别

谈思实验室 2024-10-21 18:01

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MAC和PHY结构

从硬件角度来看以太网是由CPU，MAC，PHY三部分组成的，如下图示意：

上图中DMA集成在CPU，CPU、MAC、PHY并不是集成在同一个芯片内，由于PHY包含大量模拟器件，而MAC是典型的数字电路，考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，将MAC集成进CPU而将PHY留在片外，这种结构是最常见的。下图是网络接口内部结构图，虚框表示CPU，MAC集成在CPU中，PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC连接：

MAC

MAC(Media Access Control) 即媒体访问控制层协议。MAC由硬件控制器及MAC通信协议构成。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。MAC硬件框图如下图所示：

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。一般以太网MAC芯片的一端连接PCI总线，另一端连接PHY芯片上通过MII接口连接。

PHY

PHY（Physical Layer）是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（Station Management Entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过MIIM（MII Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。PHY的基本结构如下图：

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）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。

PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器（随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器），IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义，如下表所示：

注意：

上图B和E表示在特定接口下，寄存器是基本的还是扩展的。例如：MII接口下只有0和1寄存器是基本的，其它的是扩展的。所为扩展是指留给IEEE以后的扩展特性用，不是给PHY厂商的扩展，PHY厂商自定义的只能是16~31号寄存器。
在IEEE标准文档及某些PHY手册中，某寄存器的比特(bit)用X.y表示，如0.15表示第0寄存器的第15位。

MII接口

MII（Media Independent interface）即介质无关接口，它是IEEE-802.3定义的行业标准，是MAC与PHY之间的接口。MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号，如下图所示：

信号定义如下：

MAC通过MIIM接口读取PHY状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。也可以通过MIIM设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。当时钟频率为2.5MHz时，对应速率为10Mb/s。MII接口虽然很灵活但由于信号线太多限制多接口网口的发展，后续又衍生出RMII，SMII等。

RMII接口

RMII（Reduced Media Independant Interface），精简MII接口，节省了一半的数据线。RMII收发使用2位数据进行传输，收发时钟均采用50MHz时钟源。信号定义如下：

其中CRS_DV是MII中RX_DV和CRS两个信号的合并，当物理层接收到载波信号后CRS_DV变得有效，将数据发送给RXD。当载波信号消失后，CRS_DV会变为无效。在100M以太网速率中，MAC层每个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，在10M以太网速率中，MAC层每10个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，此时物理层接收的每个数据会在RXD[1:0]保留10个时钟。

SMII接口

SMII（Serial Media Independant Interface）,串行MII接口。它包括TXD、RXD、SYNC三个信号线，共用一个时钟信号，此时钟信号是125MHz，信号线与此时钟同步。信号定义如下：

SYNC是数据收发的同步信号，每10个时钟同步置高一次电平，表示同步。TXD和RXD上的数据和控制信息，以10bit为一组。发送部分波形如下：

从波形可以看出，SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD依次输出一组10bit的数据即TX_ER，TX_EN，TXD[0:7]，这些控制信息和MII接口含义相同。在100M速率中，每一组的内容都是变换的，在10M速率中，每一组数据需要重复10次，采样任一组都可以。

GMII接口

GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。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，该接口定义见IEEE 802.3-2000。信号定义如下：

RGMII接口

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface)，精简GMII接口。相对于GMII相比，RGMII具有如下特征：

发送/接收数据线由8条改为4条
TX_ER和TX_EN复用，通过TX_CTL传送
RX_ER与RX_DV复用，通过RX_CTL传送
1 Gbit/s速率下，时钟频率为125MHz
100 Mbit/s速率下，时钟频率为25MHz
10 Mbit/s速率下，时钟频率为2.5MHz

信号定义如下：

虽然RGMII信号线减半，但TXC/RXC时钟仍为125Mhz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4]，并且信号TX_CTL反应了TX_EN和TX_ER状态，即在TXC上升沿发送TX_EN,下降沿发送TX_ER，同样的道理试用于RX_CTL，下图为发送接收的时序：