如何快速理解PHY芯片

通信网络

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描述

物理层芯片称为PHY、数据链路层芯片称为MAC。

可以看到PHY的数据是RJ45网络接口(网线口)穿过了的差分信号,而PHY作用就是将差分信号转为数字信号,这块内容不用深究,制造商都设计好了。

那我们干什么呢?(主要是对phy芯片进行模式选择,比如工作速率,工作模式)

为什么要熟悉RJ45网口

上面说到针对phy芯片我们只要进行模式选择(下文会介绍使用mdio接口,通过寄存器控制)

那模式选择后,如何查看是否有效呢?最简单直接的就是通过RJ45网口的指示灯查看

差分信号

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,黄灯闪动频率快表示网速好,这两个灯由 PHY 芯片控制。

如果不懂物理层和数据链路层可以看一下网络七层协议。

差分信号

两个模块进行通信

下图是两个主控直接的通信,比如我们的电脑 和 路由器 ,但是如果没有中间的介质还能连接网络吗?答案是可以的。

如果phy芯片没有,那么可以直接通过两个mac连接进行通信,之所以需要mac 、phy、变压器的目的是为了转换数据类型适配所以的网线,但是在一些电路上,没必要加这么多东西。

比如搭载 Linux系统的arm芯片想要网络,可以直接通过mac和网卡芯片连接获取,这时候就需要通过RGMII接口或者MII接口 和 MDIO 连接网卡芯片。

(网卡芯片内置也是mac+phy,有的只有mac 层这个要看具体的手册)

差分信号

什么是MDIO协议

mido协议即SMI协议。

SMI协议也是一种通信协议类似与I2C协议但是通信方式不一样。

SMI包含两根信号线,一个MDC时钟线,一个MDIO双向传输的数据线。如下图为SMI应用框图。STA设备通过MDIO接口与PHY通信。STA(StaTIon Management)为主控设备,比如MCU、MAC、ONU等。

差分信号

PHY为从设备。一个STA最多管理32个PHY。MDC信号由STA控制,MDIO信号根据通信方式的不同可以由STA或者PHY接管控制。如图通常MDIO会接一个电阻上拉至接口电源。

MDIO的作用 

从上面的连接图可以看到MDIO是用来连接主设备和多个PHY设备,并且通过MDIO来传输数据。

那么传输的是数据是哪些呢?主要是传输链接状态、传输速度与选择、断电、低功率休眠状态、TX/RX模式选择、自动协商控制、环回模式控制等。

MDIO没那么重要

MDIO在上面说到的两个模块通信,我提到了 arm芯片和网卡芯片直接需要,那么这个真的有必要吗?其实没必要连接!!!

换个话说 不连接也可以使得网络畅通,因为网络的数据传输时靠RGMII不是靠MDIO,MDIO的作用仅仅只是用来查看一些状态和功能,还有简单的控制,而这些简单的控制是完全可以有网卡芯片内置去写死,arm层只要和网卡的写的一直就可以通讯。

但是为什么很多时候需要通过mdio来进行读写控制,这个只是在网络通讯正常后的升级优化,用来方便查看状态,就像写了个前端网页来看后台数据。

如果mido没有读通,或者读取的数据是0xfffff,那么不一定是mdio的问题,很多时候是网卡本身没有启动!

MDIO读写时序

差分信号

Preamble:32bits的前导码

Start:2bit的开始位。

OP Code:2bits的操作码,10表示读,01表示写。

PHYAD:5bits的PHY地址。

REGAD:5bits的寄存器地址,即要读或写的寄存器。

Turn Around:2bits的TA,在读命令中,MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动,并等待一个时钟周期准备发送数据。在写命令中,不需要MDIO方向发生变化,则只是等待两个时钟周期准备写入数据。

Data:16bits数据,在读命令中,PHY芯片将读到的对应PHYAD的REGAD寄存器的数据写到Data中,在写命令中,MAC将要写入对应PHYAD的REGAD寄存器的值写入Data中。

Idle:空闲状态,此时MDIO无源驱动,处高阻状态,但一般用上拉电阻使其处在高电平,上拉电阻一般为1.5K。

为什么说读取的phy最多32个

因为mdio中读取的phy只提供5bit的字节即最高11111 转成十进制就是31即0-31就是32个,但这是从读取的方式判断的,而mdio读取是依照phy芯片本身地址空间就5位

为什么说reg地址最多32个?

同样mdio中读取的reg只提供5bit的字节即最高11111 转成十进制就是31即0-31就是32个

PHY 芯片寄存器地址空间为 5 位,地址 0-31 共 32 个寄存器, IEEE 定义了 0-15 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。

一些感想

这个也是我看了大量的参考文献和一步步的实践总结的经验,中间花了几百块问过知乎的博主和一些领域内的人,都没有讲解的很细致,最后还是通过实践,把每一层都走一遍,把变压器去掉,把phy去掉,linux系统的网卡函数看了一遍,phy芯片的手册有看了很多。

本篇文章想帮助很多像我一样的有些刚入行的打工人(我是个女生,内向腼腆但是又较真,学的嵌入式,入了这行,不甘心做不出来,就自己花钱各种找资源,找人咨询,前期因为不懂的被人忽悠了钱,还是坚持继续深入探讨)。希望对你有帮助。

审核编辑:黄飞

 

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