关于嵌入式Linux的网络接口设计

1.1 嵌入式网络简介

1.1.1 嵌入式下的网络硬件接口

提起网络，我们一般想到的硬件就是“网卡”，现在网卡已经是通过一个芯片来完成了，嵌入式网络硬件分为两部分：MAC和PHY，大家都是通过看数据手册来判断一款SOC是否支持网络，如果一款芯片数据手册说自己支持网络，一般都是说的这款SOC内置MAC，MAC类似I2C控制器、SPI控制器一样的外设。

但是光有MAC还不能直接驱动网络，还需要另外一个芯片：PHY，因此对于内置MAC的SOC，其外部必须搭配一个PHY芯片。内部没有MAC的SOC芯片，就需要使用外置的MAC+PHY一体芯片了，这里就要牵扯出常见的两个嵌入式网络硬件方案了。

1.SOC内部没有网络MAC外设

对于内部没有MAC的SOC芯片，可以使用外置 MAC+PHY一体的网络芯片来实现网络功能。比如三星linux开发板里面用的最多的DM9000，DM9000对SOC提供了一个SRAM接口，SOC会以SRAM的方式操作DM9000。

有些外置的网络芯片更强大，内部甚至集成了硬件TCP/IP协议栈，对外提供一个SPI接口，比如W5500。这个一般用于单片机领域，单片机通过SPI接口与W5500进行通信，由于W5500内置了硬件TCP/IP协议栈，因此单片机就不需要移植软件协议栈，直接通过SPI来操作W5500，简化了单片机联网方案。

这种方案的优点就是让不支持网络的SOC能够另辟蹊径，实现网络功能，但是缺点就是网络效率不高，因为一般芯片内置的MAC会有网络加速引擎，比如网络专用DMA，网络处理效率会很高。而且此类芯片网速都不快，基本就是10/100M。另外，相比PHY芯片而言，此类芯片的成本也比较高，可选择比较少。

SOC与外部MAC+PHY芯片的连接如图1-1所示：

图1-1 主控SOC与外置MAC+PHY芯片连接

2.SOC内部集成网络MAC外设

我们一般说某个SOC支持网络，说的就是他内部集成网络MAC外设，此时我们还需要外接一个网络PHY芯片。。

目前几乎所有支持网络的SOC都是内置MAC外设，比如STM32F4/F7/H7系列、NXP的I.MX系列，内部集成网络MAC的优点如下：

1）内部MAC外设会有专用的加速模块，比如专用的DMA，加速网速数据的处理。

2）网速快，可以支持10/100/1000M网速。

3）外接PHY可选择性多，成本低。

内部的MAC外设会通过MII或者RMII接口来连接外部的PHY芯片，MII/RMII接口用来传输网络数据。另外主控需要配置或读取PHY芯片，也就是读写PHY的内部寄存器，所以还需要一个控制接口，叫做MIDO，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。

SOC内部MAC外设与外部PHY芯片的连接如图1-2所示：

图1-2 内部MAC与外部PHY之间的连接

大家在做项目的时候，如果要用到网络功能，强烈建议大家选择内部带有网络MAC外设的主控SOC！I.MX6ULL就有两个10M/100M的网络MAC外设，正点原子ALPHA开发板板载了两颗PHY芯片，型号为LAN8720。因此，本章节只讲解SOC内部MAC+外置PHY芯片这种方案。

1.1.2 MII/RMII接口

前面我们说了，内部MAC通过MII/RMII接口来与外部的PHY芯片连接，完成网络数据传输，本节我们就来学习一下什么是MII和RMII接口。

1.MII接口

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，连接示意图如图1-3所示：

图1-3 MII接口

MII接口一共有16根信号线，含义如下：

TX_CLK：发送时钟，如果网速为100M的话时钟频率为25MHz，10M网速的话时钟频率为2.5MHz，此时钟由PHY产生并发送给MAC。

TX_EN：发送使能信号。

TX_ER：发送错误信号，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。10Mpbs网速下TX_ER不起作用。

TXD[3:0]：发送数据信号线，一共4根。

RXD[3:0]：接收数据信号线，一共4根。

RX_CLK：接收时钟信号，如果网速为100M的话时钟频率为25MHz，10M网速的话时钟频率为2.5MHz，RX_CLK也是由PHY产生的。

RX_ER：接收错误信号，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。10Mpbs网速下RX_ER不起作用。

RX_DV：接收数据有效，作用类似TX_EN。

CRS：载波侦听信号。

COL：冲突检测信号。

MII接口的缺点就是所需信号线太多，这还没有算MDIO和MDC这两根管理接口的数据线，因此MII接口使用已经越来越少了。

2.RMII接口

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，RMII接口连接PHY芯片的示意图如图1-4所示：

图1-4 RMII接口

TX_EN：发送使能信号。

TXD[1:0]：发送数据信号线，一共2根。

RXD[1:0]：接收数据信号线，一共2根。

CRS_DV：相当于MII接口中的RX_DV和CRS这两个信号的混合。

REF_CLK：参考时钟，由外部时钟源提供， 频率为50MHz。这里与MII不同，MII的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由PHY芯片提供的。

除了MII和RMII以外，还有其他接口，比如GMII、RGMII、SMII、SMII等，关于其他接口基本都是大同小异的，这里就不做讲解了。正点原子ALPAH开发板上的两个网口都是采用RMII接口来连接MAC与外部PHY芯片。

1.1.3 MDIO接口

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。同一时刻内只能对一个PHY进行操作，那么如何区分这32个PHY芯片呢？和IIC一样，使用

器件地址即可。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。

因此，MAC和外部PHY芯片进行连接的时候主要是MII/RMII和MDIO接口，另外可能还需要复位、中断等其他引脚。

1.1.4 RJ45接口

网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的叫做RJ45座，如图1-5所示：

图1-5 RJ45座子

RJ45座要与PHY芯片连接在一起，但是中间需要一个网络变压器，网络变压器用于隔离以及滤波等，网络变压器也是一个芯片，外形一般如图1-6所示：

图1-6 网络变压器

但是现在很多RJ45座子内部已经集成了网络变压器，比如最常用的HR911105A就是内置网络变压器的RJ45座。内置网络变压器的RJ45座和不内置的引脚一样，但是一般不内置的RJ45座会短一点。

因此，大家在画板的时候一定要考虑你所使用的RJ45座是否内置网络变压器，如果不内置的话就要自行添加网络变压器部分电路！同理，如果你所设计的硬件是需要内置网络变压器的RJ45座，肯定不能随便焊接一个不内置变压器的RJ45座，否则网络工作不正常！

RJ45座子上一般有两个灯，一个黄色(橙色)，一个绿色，绿色亮的话表示网络连接正常，黄色闪烁的话说明当前正在进行网络通信。这两个灯由PHY芯片控制，PHY芯片会有两个引脚来连接RJ45座上的这两个灯。内部MAC+外部PHY+RJ45座(内置网络变压器)就组成了一个完整的嵌入式网络接口硬件，如图1-7所示：

图1-7 嵌入式网络硬件接口示意图

1.1.5 PHY芯片基础知识

PHY是IEEE 802.3规定的一个标准模块，前面说了，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。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，16~31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0~15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。

IEEE802.3协议英文原版中的 “22.2.4 Management functions”章节，此章节对PHY的前16个寄存器功能进行了规定，如图1-8所示：

图1-8 IEEE规定的前16个寄存器

关于这16个寄存器的内容协议里面也进行了详细的讲解，这里就不分析了。大家可以找个具体的PHY芯片数据手册对比看一下，比如百M网络最常用的LAN8720A这个PHY，大家可以看一下LAN8720前面几个寄存器结构是否和图1-8中的一样。

关于嵌入式Linux的网络接口设计就讲到这里。