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、線路狀態(tài)、時鐘基準(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

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。 有時還有遠(yuǎn)程啟動的BOOTROM ，可以遠(yuǎn)程啟動本地主機(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)，以及出錯時重發(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。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，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，并同時進(jìn)行CRC校驗。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)中斷報告各種情況（如收到一個完整的匹配數(shù)

4、據(jù)幀或接收幀中出現(xiàn)錯誤等等）。 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校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。10PHY芯片的主要作用對端口LINK狀態(tài)的判斷自動協(xié)商，當(dāng)然MAC可以修改PHY的寄存器間接控制自動協(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，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。若是工作

5、于RMII模式下則此項任務(wù)由MAC完成。PS:在RMII的時候，沖突檢測由MAC完成。MAC把TXEN和CRS_DV信號的“近似與”作為沖突的判定標(biāo)準(zhǔn)。 CRS_DV：此信號是由MII接口中的RX_DV和CRS兩個信號合并而成11PHY的工作原理10M的MII的時鐘是2.5M，100M的MII的時鐘是25MPHY芯片包括MII/GMII（介質(zhì)獨立接口）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)換以及沖突檢測功能，同時只要Tx

6、EN無效就提供“idle”信號給PMD層.PMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供對LINK狀態(tài)的判斷和載波偵聽的功能，完成串行信號和NRZI信號之間的轉(zhuǎn)化.PMD(PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT)：提供對信號的scrambling(擾頻)/ descrambling（解擾） ；對信號進(jìn)行編碼，在100TX下是MLT-3 , 在10T下是Manchester.MII包含兩部分，一個數(shù)據(jù)接口，以及一個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” ，便于從線路信號中提

7、取時鐘信號。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完成自動協(xié)商；修改端口燈的顯示模式；控制Crossover、FEFI等功能是否實施。上電的時候，MAC修改PHY的寄存器，控制端口是否進(jìn)行自動協(xié)商，以及自動協(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/沖突檢測協(xié)議），是一種在共

8、享介質(zhì)條件下多點通訊的有效手段。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)上有兩個或兩個以上工作站同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會產(chǎn)生信號的混合，這樣哪個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，同時有兩個或兩個以上的節(jié)點都提出發(fā)送請求，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)制自動協(xié)商自動協(xié)商的主要功能就是使物理鏈路兩端的設(shè)備自動通過交互信息 自動選擇一種運行模式來運行。自動協(xié)商的內(nèi)容主要包括雙工模式 運行速率 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協(xié)商能力的時候，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FLP脈沖群包括33個脈沖，每個脈沖間隔62.5us，脈沖群的間隔為168ms。奇數(shù)脈沖代表時鐘長有，偶數(shù)脈沖表示數(shù)據(jù)，有脈沖信號為“1”，沒有脈沖信號為“0”。每個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整個報文按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協(xié)商的時候，