以太网——PHY、MAC、MII与网卡
网卡(network interface card，简称nic)，也称网络适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。只要连接到局域网就需要网卡。一个网卡主要包括osi的最下面两层，物理层和数据链路层。物理层的芯片称之为phy，数据链路层的芯片称之为mac控制器。本文旨在学习以太网基础mac和phy的知识，总结系统框架和物理硬件组成原理，了解各种接口。
phy & mac & mii
phy
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。定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为phy。
mac
mac 是 media access control 的缩写，即媒体访问控制子层协议。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。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 层。以太网 mac 由 ieee-802.3 以太网标准定义。
mii
mii即媒体独立接口，也叫介质无关接口。它是ieee-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个mac和phy之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。mii数据接口总共需16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制phy。由此可见，mac 和 phy，一个是数据链路层，一个是物理层；两者通过 mii 传送数据。
系统组成
从硬件的角度来分析，以太网的电路接口一般由cpu、mac(media access control)控制器和物理层接口phy组成：对于上述三部分，并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况：
（1）cpu内部集成了mac和phy，难度较高；（2）cpu内部集成mac，phy采用独立芯片(主流方案)；（3）cpu不集成mac和phy，mac和phy采用独立芯片或者集成芯片(高端采用)。phy整合了大量模拟硬件，而mac是典型的全数字器件，芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，是将mac集成进微控制器而将phy留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现mac和phy的单芯片整合。以常用的cpu内部集成mac，phy采用独立的芯片方案为例，虚线内表示cpu和mac集成在一起，phy芯片通过mii接口与cpu上的mac互联。
对于这种方案，其硬件方案比独立的更简单，phy与mac之间有以下两个重要的硬件接口：（1）mdio总线接口，主要是完成cpu对于phy芯片的寄存器配置；（2）mii即媒体独立接口，也叫介质无关接口。常见的有mii、rmii、gmii、rgmii等。“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。mii 数据接口总共需要16个信号，包括:
transmit data - txd[3:0]transmit strobe - tx_entransmit clock - tx_clktransmit error - tx_er/txd4receive data - rxd[3:0]receive strobe - rx_dvreceive clock - rx_clkreceive error - rx_er/rxd4collision indication - colcarrier sense - crs一般说来，包括ic 对 phy 作读取与写入用的一组信号：mdc(clock)，mdio(data) 作为 data sampling reference 用的两组 clock，频率应为 25mhz(tx_clk,rx_clk)各4-bit 的输出、输入 bus(tx[0:3],rx[0:3])；通知对方准备输入数据的输出、输入的启动信号(tx_en)；输出、输入的错误通知信号(tx_er,rx_er)；得到有效输入数据的通知信号(rx_dv)；网络出现拥塞的 colision 信号(col)。做为 carrier 回复用的信号(crs)，电位可使用+5v 或+3.3v。mii 以 4bit，即半字节方式双向传送数据，时钟速率 25mhz，其工作速率可达 100mb/s。mii传递了网络的所有数据和数据的控制，而 mac对phy 的工作状态的确定和对 phy 的控制则是使用 smi ( serial management interface) 界面通过读写phy的寄存器来完成的。phy 里面的部分寄存器是 ieee 定义的，这样 phy 把自己的目前的状态反映到寄存器里面，mac 通过 smi 总线不断地读取 phy 的状态寄存器以得知目前 phy 的状态，例如连接速度，双工能力等。当然也可以通过 smi 设置 phy 的寄存器达到控制的目的，例如流控地打开关闭，自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的 mii 总线和 smi 总线还是 phy 的状态寄存器和控制寄存器都是有 ieee 的规范的，因此不同公司的 mac 和 phy 一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的 phy 的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。
smi
smi是mac内核访问phy寄存器接口，它由两根线组成、双工，mdc为时钟，mdio为双向数据通信，原理上跟i2c总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的phy。
mdc/mdio基本特性：
两线制：mdc（时钟线）和mdio（数据线）。时钟频率：2.5mhz通信方式：总线制，可同时接入的phy数量为32个通过smi接口，mac芯片主动地轮询phy层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。后来为了支持千兆网口，也就开始有了千兆网的mii接口，也就是gmii接口。现在比较常用的是rgmii，减小了mac和phy之间的引脚数量。数据信号和控制信号混合在一起，并且在工作时钟的上升沿和下降沿同时采样，其对应关系如下：10m带宽对应的是2.5mhz，因为4bit*2.5m=10mbps100m带宽对应的是25mhz，因为4bit*25m=100mbps1000m带宽对应的是125mhz，4bit*125m=1000mbps，因为250mhz频率太高，所以采用双边沿采样技术（会带来设计复杂度）。
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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。定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为phy。
mac
mac 是 media access control 的缩写，即媒体访问控制子层协议。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。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 层。以太网 mac 由 ieee-802.3 以太网标准定义。
mii
mii即媒体独立接口，也叫介质无关接口。它是ieee-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个mac和phy之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。mii数据接口总共需16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制phy。由此可见，mac 和 phy，一个是数据链路层，一个是物理层；两者通过 mii 传送数据。
系统组成
从硬件的角度来分析，以太网的电路接口一般由cpu、mac(media access control)控制器和物理层接口phy组成：对于上述三部分，并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况：
（1）cpu内部集成了mac和phy，难度较高；（2）cpu内部集成mac，phy采用独立芯片(主流方案)；（3）cpu不集成mac和phy，mac和phy采用独立芯片或者集成芯片(高端采用)。phy整合了大量模拟硬件，而mac是典型的全数字器件，芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，是将mac集成进微控制器而将phy留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现mac和phy的单芯片整合。以常用的cpu内部集成mac，phy采用独立的芯片方案为例，虚线内表示cpu和mac集成在一起，phy芯片通过mii接口与cpu上的mac互联。
对于这种方案，其硬件方案比独立的更简单，phy与mac之间有以下两个重要的硬件接口：（1）mdio总线接口，主要是完成cpu对于phy芯片的寄存器配置；（2）mii即媒体独立接口，也叫介质无关接口。常见的有mii、rmii、gmii、rgmii等。“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。mii 数据接口总共需要16个信号，包括:
transmit data - txd[3:0]transmit strobe - tx_entransmit clock - tx_clktransmit error - tx_er/txd4receive data - rxd[3:0]receive strobe - rx_dvreceive clock - rx_clkreceive error - rx_er/rxd4collision indication - colcarrier sense - crs一般说来，包括ic 对 phy 作读取与写入用的一组信号：mdc(clock)，mdio(data) 作为 data sampling reference 用的两组 clock，频率应为 25mhz(tx_clk,rx_clk)各4-bit 的输出、输入 bus(tx[0:3],rx[0:3])；通知对方准备输入数据的输出、输入的启动信号(tx_en)；输出、输入的错误通知信号(tx_er,rx_er)；得到有效输入数据的通知信号(rx_dv)；网络出现拥塞的 colision 信号(col)。做为 carrier 回复用的信号(crs)，电位可使用+5v 或+3.3v。mii 以 4bit，即半字节方式双向传送数据，时钟速率 25mhz，其工作速率可达 100mb/s。mii传递了网络的所有数据和数据的控制，而 mac对phy 的工作状态的确定和对 phy 的控制则是使用 smi ( serial management interface) 界面通过读写phy的寄存器来完成的。phy 里面的部分寄存器是 ieee 定义的，这样 phy 把自己的目前的状态反映到寄存器里面，mac 通过 smi 总线不断地读取 phy 的状态寄存器以得知目前 phy 的状态，例如连接速度，双工能力等。当然也可以通过 smi 设置 phy 的寄存器达到控制的目的，例如流控地打开关闭，自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的 mii 总线和 smi 总线还是 phy 的状态寄存器和控制寄存器都是有 ieee 的规范的，因此不同公司的 mac 和 phy 一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的 phy 的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。
smi
smi是mac内核访问phy寄存器接口，它由两根线组成、双工，mdc为时钟，mdio为双向数据通信，原理上跟i2c总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的phy。
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