在嵌入式Linux中，網絡是很常用的一個功能，尤其在工業控制、物聯網等領域，今天我們就來學習一下嵌入式Linux的網絡接口設計！
嵌入式網絡簡介
嵌入式下的網絡硬體接口
提起網絡，我們一般想到的硬體就是“網卡”，現在網卡已經是通過一個晶片來完成了，嵌入式網絡硬體分為兩部分：MAC和PHY，大家都是通過看資料手冊來判斷一款SOC是否支援網絡，如果一款晶片資料手冊說自己支援網絡，一般都是說的這款SOC内置MAC，MAC類似I2C控制器、SPI控制器一樣的外設。但是光有MAC還不能直接驅動網絡，還需要另外一個晶片：PHY，是以對于内置MAC的SOC，其外部必須搭配一個PHY晶片。内部沒有MAC的SOC晶片，就需要使用外置的MAC+PHY一體晶片了，這裡就要牽扯出常見的兩個嵌入式網絡硬體方案了。
1.SOC内部沒有網絡MAC外設
對于内部沒有MAC的SOC晶片，可以使用外置 MAC+PHY一體的網絡晶片來實作網絡功能。比如三星linux開發闆裡面用的最多的DM9000，DM9000對SOC提供了一個SRAM接口，SOC會以SRAM的方式操作DM9000。
有些外置的網絡晶片更強大，内部甚至內建了硬體TCP/IP協定棧，對外提供一個SPI接口，比如W5500。這個一般用于單片機領域，單片機通過SPI接口與W5500進行通信，由于W5500内置了硬體TCP/IP協定棧，是以單片機就不需要移植軟體協定棧，直接通過SPI來操作W5500，簡化了單片機聯網方案。
這種方案的優點就是讓不支援網絡的SOC能夠另辟蹊徑，實作網絡功能，但是缺點就是網絡效率不高，因為一般晶片内置的MAC會有網絡加速引擎，比如網絡專用DMA，網絡處理效率會很高。而且此類晶片網速都不快，基本就是10/100M。另外，相比PHY晶片而言，此類晶片的成本也比較高，可選擇比較少。
SOC與外部MAC+PHY晶片的連接配接如圖1-1所示：
圖1-1 主要SOC與外置MAC+PHY晶片連接配接
2.SOC内部內建網絡MAC外設
我們一般說某個SOC支援網絡，說的就是他内部內建網絡MAC外設，此時我們還需要外接一個網絡PHY晶片。
目前幾乎所有支援網絡的SOC都是内置MAC外設，比如STM32F4/F7/H7系列、NXP的I.MX系列，内部內建網絡MAC的優點如下：
1）内部MAC外設會有專用的加速子產品，比如專用的DMA，加速網速資料的處理。
2）網速快，可以支援10/100/1000M網速。
3）外接PHY可選擇性多，成本低。
内部的MAC外設會通過MII或者RMII接口來連接配接外部的PHY晶片，MII/RMII接口用來傳輸網絡資料。另外主要需要配置或讀取PHY晶片，也就是讀寫PHY的内部寄存器，是以還需要一個控制接口，叫做MIDO，MDIO很類似IIC，也是兩根線，一根資料線叫做MDIO，一根時鐘線叫做MDC。
SOC内部MAC外設與外部PHY晶片的連接配接如圖1-2所示：
圖1-2 内部MAC與外部PHY之間的連接配接
大家在做項目的時候，如果要用到網絡功能，強烈建議大家選擇内部帶有網絡MAC外設的主要SOC！I.MX6ULL就有兩個10M/100M的網絡MAC外設，正點原子ALPHA開發闆闆載了兩顆PHY晶片，型号為LAN8720。是以，本章節隻講解SOC内部MAC+外置PHY晶片這種方案。
MII/RMII接口
前面我們說了，内部MAC通過MII/RMII接口來與外部的PHY晶片連接配接，完成網絡資料傳輸，本節我們就來學習一下什麼是MII和RMII接口。
1.MII接口
MII全稱是Media Independent Interface，直譯過來就是媒體獨立接口，它是IEEE-802.3定義的以太網标準接口，MII接口用于以太網MAC連接配接PHY晶片，連接配接示意圖如圖1-3所示：
圖1-3 MII接口
MII接口一共有16根信号線，含義如下：
TX_CLK：發送時鐘，如果網速為100M的話時鐘頻率為25MHz，10M網速的話時鐘頻率為2.5MHz，此時鐘由PHY産生并發送給MAC。
TX_EN：發送使能信号。
TX_ER：發送錯誤信号，高電平有效，表示TX_ER有效期内傳輸的資料無效。10Mpbs網速下TX_ER不起作用。
TXD[3:0]：發送資料信号線，一共4根。
RXD[3:0]：接收資料信号線，一共4根。
RX_CLK：接收時鐘信号，如果網速為100M的話時鐘頻率為25MHz，10M網速的話時鐘頻率為2.5MHz，RX_CLK也是由PHY産生的。
RX_ER：接收錯誤信号，高電平有效，表示RX_ER有效期内傳輸的資料無效。10Mpbs網速下RX_ER不起作用。
RX_DV：接收資料有效，作用類似TX_EN。
CRS：載波偵聽信号。
COL：沖突檢測信号。
MII接口的缺點就是所需信号線太多，這還沒有算MDIO和MDC這兩根管理接口的資料線，是以MII接口使用已經越來越少了。
2.RMII接口
RMII全稱是Reduced Media Independent Interface，翻譯過來就是精簡的媒體獨立接口，也就是MII接口的精簡版本。RMII接口隻需要7根資料線，相比MII直接減少了9根，極大的友善了闆子布線，RMII接口連接配接PHY晶片的示意圖如圖1-4所示：
圖1-4 RMII接口
TX_EN：發送使能信号。
TXD[1:0]：發送資料信号線，一共2根。
RXD[1:0]：接收資料信号線，一共2根。
CRS_DV：相當于MII接口中的RX_DV和CRS這兩個信号的混合。
REF_CLK：參考時鐘，由外部時鐘源提供， 頻率為50MHz。這裡與MII不同，MII的接收和發送時鐘是獨立分開的，而且都是由PHY晶片提供的。
除了MII和RMII以外，還有其他接口，比如GMII、RGMII、SMII、SMII等，關于其他接口基本都是大同小異的，這裡就不做講解了。正點原子ALPAH開發闆上的兩個網口都是采用RMII接口來連接配接MAC與外部PHY晶片。
MDIO接口
MDIO全稱是Management Data Input/Output，直譯過來就是管理資料輸入輸出接口，是一個簡單的兩線串行接口，一根MDIO資料線，一根MDC時鐘線。驅動程式可以通過MDIO和MDC這兩根線通路PHY晶片的任意一個寄存器。MDIO接口支援多達32個PHY。同一時刻内隻能對一個PHY進行操作，那麼如何區分這32個PHY晶片呢？和IIC一樣，使用器件位址即可。同一MDIO接口下的所有PHY晶片，其器件位址不能沖突，必須保證唯一，具體器件位址值要查閱相應的PHY資料手冊。
是以，MAC和外部PHY晶片進行連接配接的時候主要是MII/RMII和MDIO接口，另外可能還需要複位、中斷等其他引腳。
RJ45接口
網絡裝置是通過網線連接配接起來的，插入網線的叫做RJ45座，如圖1-5所示：
圖1-5 RJ45座子
RJ45座要與PHY晶片連接配接在一起，但是中間需要一個網絡變壓器，網絡變壓器用于隔離以及濾波等，網絡變壓器也是一個晶片，外形一般如圖1-6所示：
圖1-6 網絡變壓器
但是現在很多RJ45座子内部已經內建了網絡變壓器，比如最常用的HR911105A就是内置網絡變壓器的RJ45座。内置網絡變壓器的RJ45座和不内置的引腳一樣，但是一般不内置的RJ45座會短一點。是以，大家在畫闆的時候一定要考慮你所使用的RJ45座是否内置網絡變壓器，如果不内置的話就要自行添加網絡變壓器部分電路！同理，如果你所設計的硬體是需要内置網絡變壓器的RJ45座，肯定不能随便焊接一個不内置變壓器的RJ45座，否則網絡工作不正常！
RJ45座子上一般有兩個燈，一個黃色(橙色)，一個綠色，綠色亮的話表示網絡連接配接正常，黃色閃爍的話說明目前正在進行網絡通信。這兩個燈由PHY晶片控制，PHY晶片會有兩個引腳來連接配接RJ45座上的這兩個燈。内部MAC+外部PHY+RJ45座(内置網絡變壓器)就組成了一個完整的嵌入式網絡接口硬體，如圖1-7所示：
圖1-7 嵌入式網絡硬體接口示意圖
PHY晶片基礎知識
PHY是IEEE 802.3規定的一個标準子產品，前面說了，SOC可以對PHY進行配置或者讀取PHY相關狀态，這個就需要PHY内部寄存器去實作。PHY晶片寄存器位址空間為5位，位址 0~31共32個寄存器，IEEE定義了0~15這16個寄存器的功能，16~31這16個寄存器由廠商自行實作。也就是說不管你用的哪個廠家的PHY晶片，其中0~15這16個寄存器是一模一樣的。僅靠這16個寄存器是完全可以驅動起PHY晶片的，至少能保證基本的網絡資料通信，是以Linux核心有通用PHY驅動，按道理來講，不管你使用的哪個廠家的PHY晶片，都可以使用Linux的這個通用PHY驅動來驗證網絡工作是否正常。
事實上在實際開發中可能會遇到一些其他的問題導緻Linux核心的通用PHY驅動工作不正常，這個時候就需要驅動開發人員去調試了。但是，随着現在的PHY晶片性能越來越強大，32個寄存器可能滿足不了廠商的需求，是以很多廠商采用分頁技術來擴充寄存器位址空間，以求定義更多的寄存器。
這些多出來的寄存器可以用于實作廠商特有的一些技術，是以Linux核心的通用PHY驅動就無法驅動這些特色功能了，這個時候就需要PHY廠商提供相應的驅動源碼了，是以大家也會在Linux核心裡面看到很多具體的PHY晶片驅動源碼。不管你的PHY晶片有多少特色功能，按道理來講，Linux核心的通用PHY驅動是絕對可以讓你這PHY晶片實作基本的網絡通信，是以大家也不用擔心更換PHY晶片以後網絡驅動編寫是不是會很複雜。
IEEE802.3協定英文原版中的 “22.2.4 Management functions”章節，此章節對PHY的前16個寄存器功能進行了規定，如圖1-8所示：
圖1-8 IEEE規定的前16個寄存器
關于這16個寄存器的内容協定裡面也進行了詳細的講解，這裡就不分析了。大家可以找個具體的PHY晶片資料手冊對比看一下，比如百M網絡最常用的LAN8720A這個PHY，大家可以看一下LAN8720前面幾個寄存器結構是否和圖1-8中的一樣。
來源：清華大學出版社