一、简介
网卡工作在osi的最后两层，物理层和数据链路层，物理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。
OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互连。一般都叫OSI参考模型，是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），即OSI开放系统互连参考模型。
网卡工作在osi的最后两层，物理层和数据链路层，物理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。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线，mac接 phy，phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。
MII/GigaMII(Media Independed Interfade，介质独立界面)界面连接MAC和PHY。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。smi(Serial Management Interface)是一种串行接口，接口包括两根信号线：MDC和MDIO，通过它，MAC层芯片（或其它控制芯片）可以访问物理层芯片的寄存器（前面100M物理层芯片中介绍的寄存器组）。MDC：管理接口的时钟，它是一个非周期信号，信号的最小周期（实际是正电平时间和负电平时间之和）为400ns，最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大的正负电平时间无限制。它与TX_CLK和RX_CLK无任何关系。MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。MAC通过SMI总线不断的读取PHY的状态寄存器以得知目前PHY的状态，例如连接速度，双工的能力等。
物理连接的MII界面和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。一片网卡主要功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的，还有一颗EEPROM芯片，通常是一颗93C46。里面记录了网卡芯片的供应商ID、子系统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置，如SMI总线上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否启用BOOTROM引导系统等东西。
如果操作系统没有加载网卡驱动，网卡虽然在系统设备树上，但网卡接口创建不了，那网卡实际能不能接收到数据？
这里面有很多细节， 我根据Intel网卡的Spec大概写了写， 想尽量写的通俗一些，所以没有刻意用Spec里的术语，另外本文虽然讲的是MAC/PHY，但光口卡的（SERDES）也是类似的。
- 1. PCI设备做reset以后进入D0uninitialized（非初始化的D0状态， 参考PCI电源管理规范），此时网卡的MAC和DMA都不工作，PHY是工作在一个特殊的低电源状态的。
- 2. 操作系统创建设备树时，初始化这个设备，PCI命令寄存器的 Memory Access Enable or the I/O Access Enable bit会被enable, 这就是D0active。此时PHY/MAC就使能了。
- 3. PHY被使能应该就可以接收物理链路上的数据了，否则不能收到FLP/NLP, PHY就不能建立物理连接。但这类包一般是流量间歇发送的.
- 4. 驱动程序一般要通过寄存器来控制PHY, 比如自动协商speed/duplex， 查询物理链路的状态Link up/down。
- 5. MAC被使能后， 如果没有驱动设置控制寄存器的一个位（CTRL.SLU )的话， MAC和PHY是不能通讯的， 就是说MAC不知道PHY的link已经ready, 所以收不到任何数据的。这位设置以后， PHY完成自协商， 网卡才会有个Link change的中断，知道物理连接已经Link UP了。
- 6. 即使Link已经UP， MAC还需要enable接收器的一个位（RCTL.RXEN ），包才可以被接收进来，如果网卡被reset，这位是0，意味着所有的包都会被直接drop掉，不会存入网卡的 FIFO。老网卡在驱动退出前利用这位关掉接收。Intel的最新千兆网卡发送接收队列的动态配置就是依靠这个位的，重新配置的过程一定要关掉流量。
- 7. 无论驱动加载与否， 发生reset后，网卡EEPOM里的mac地址会写入网卡的MAC地址过滤寄存器， 驱动可以去修改这个寄存器，现代网卡通常支持很多MAC地址，也就是说，MAC地址是可以被软件设置的。例如，Intel的千兆网卡就支持16个单播 MAC地址，但只有1个是存在EEPROM里的，其它是软件声称和设置的。
- 8. 但如果驱动没有加载，网卡已经在设备树上，操作系统完成了步骤1-2的初始化，此时网卡的PHY应该是工作的，但因为没有人设置控制位（CTRL.SLU）来让MAC和PHY建立联系，所以MAC是不收包的。这个控制位在reset时会再设置成0。
- 9. PHY可以被软件设置加电和断电， 断电状态除了接收管理命令以外，不会接收数据。另外，PHY还能工作在Smart Power Down模式下，link down就进入省电状态。
- 10. 有些多口网卡，多个网口共享一个PHY, 所以BIOS里设置disbale了某个网口, 也未必会把PHY的电源关掉，反过来，也要小心地关掉PHY的电源。
二、系统概述
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(physical Layer PHY)组成，如下图所示
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)
以常用的CPU内部集成MAC，PHY采用独立的芯片方案，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
SMI是一种串行接口，接口包括两根信号线： MDC：管理接口的时钟，MDIO: 双向的数据线。主要是完成CPU对于PHY芯片的寄存器配置MII总线接口，主要是完成数据收发相关的业务（下方详细介绍）网络隔离变压器：传输数据,增强信号;隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平;抗干扰,保护作用。
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三、通讯方式
MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术。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.它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口。MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RGMII。
MII接口主要包括以下三个部分：
- 从MAC层到PHY层的发送数据接口
- 从PHY层到MAC层的接收数据接口
- 从MAC层和PHY层之间寄存器控制和信息获取的MDIO接口
MII 数据接口总共需要 16 个信号。MII的时钟为25MHz，传输速率为10/100Mbps。所以MII的特性如下：
- 1.支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率
- 2.100M工作模式下，参考时钟是25MHz；10M工作模式下，信号参考时钟是2.5MHz
- 3.支持全双工、半双工两种工作模式
- 4.发送和接收数据时采用,4bit方式
RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的信号线（2数据位），所以它一般要求是50MHz的总线时钟。RMII一般用在多端口的交换机，所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发,这里就节省了不少的端口数目.RMII的一个端口要求7个数据线,比MII少了一倍,所以交换机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速度.
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，其对应关系图如下：
- 10M带宽对应的是2.5MHz，因为4bit*2.5M=10Mbps
- 100M带宽对应的是25MHz，因为4bit*25M=100Mbps
1000M带宽对应的是125MHz，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）。4bit125M2=1000Mbps
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芯片主动的轮询PHY层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。
当PHY芯片发送数据，接受到MAC层发送过来的数字信号，然后转换成模拟信号，通过MDI接口传输出去。但是网线传输的距离又很长，有时候需要送到100米甚至更远的地址，那么就会导致信号的流失。而且外网线与芯片直接相连电磁感应和静电，也很容易导致芯片的损坏，所以就要使用网络变压器，其主要作用是：
传输数据,它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；
隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平,以防止不同电压通过网线传输损坏设备；
还能使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用，保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏（如雷击）。
四、MAC
MAC(Media Access Control)，即媒体访问控制子层协议，该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器以及MAC通讯协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要是负责控制与连接物理层的物理介质。
MAC(Media Access Control)，即媒体访问控制子层协议，该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器以及MAC通讯协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要是负责控制与连接物理层的物理介质。
发送数据：MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将数据加上一些控制信息，最后将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层
接收数据：MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息后发送至LLC(逻辑链路控制)层。
PHY物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。
MDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口（Media Dependent Interface）。MDI是指通过收发器发送的100BASE-T信号，即100BASE-TX、FX、T4或T2信号。将集线器连接网络接口卡时，其发送和接收对通常是相互连接的。集线器之间连接时，通常需要一条跨接电缆，其中的发送和接收对是反接的。
MDI是正常的UTP或STP连接，而MDI-X连接器的发送和接收对是在内部反接的，这就使得不同的设备（如集线器-集线器或集电器-交换机），可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。
4.1MII接口
MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术。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.它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口。MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RGMII。
MII接口主要包括以下三个部分：
- 从MAC层到PHY层的发送数据接口
- 从PHY层到MAC层的接收数据接口
- 从MAC层和PHY层之间寄存器控制和信息获取的MDIO接口
首先来看看MII的MAC层定义接口：
MII 数据接口总共需要 16 个信号，包括 TX_ER，TXD[3:0]，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD[3:0]，RX_ER，RX_CLK，CRS，RX_DV 等。MII的时钟为25MHz，传输速率为10/100Mbps。所以MII的特性如下：
- 支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率
- 100M工作模式下，参考时钟是25MHz；10M工作模式下，信号参考时钟是2.5MHz
- 支持全双工、半双工两种工作模式
- 发送和接收数据时采用,4bit方式
RMII的用途：
RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的信号线（2数据位），所以它一般要求是50MHz的总线时钟。RMII一般用在多端口的交换机，所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发,这里就节省了不少的端口数目.RMII的一个端口要求7个数据线,比MII少了一倍,所以交换机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速度.
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，其对应关系图如下：
- 10M带宽对应的是2.5MHz，因为4bit*2.5M=10Mbps
- 100M带宽对应的是25MHz，因为4bit*25M=100Mbps
- 1000M带宽对应的是125MHz，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）。4bit125M2=1000Mbps
4.2SMI接口
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芯片主动的轮询PHY层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。
管理帧格式:
读操作时序
写操作时序
- 报头： 每个读写均可通过报头字段启动，报头字段对应于MDIO线上32个连续的逻辑“1”位以及MDC的32个周期，该字段用于与PHY设备建立同步
- 起始： 起始由<01>模式定义
- 操作： 定义读写类型
- PADDR: PHY地址由5位，可构成32个唯一PHY地址
- RADDR: 寄存器地址有5位
TA:
- 数据： 数据字段为16位
- 空间: MDIO线驱动为高阻态，三态驱动器必须禁止，PHY的上拉电阻使线路保持高阻态
五、PHY
物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。 物理层的器件称为PHY。
PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY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。
5.1什么是PHY
发送数据：对于PHY来说，并没有帧的概念，对它来说，不管是地址、数据还是CRC，都会将并行数据转换为串行数据流，在按照物理层的编码规则把数据编码，最终转换成模拟信号发送出去
接收数据：从外部接收数据时，模拟信号先转成数字信号，再经过解码得到数据， 经过MII送到MAC
CSMA/CD：可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两个碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突。这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据
5.2MDI
MDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口（Media Dependent Interface）。MDI是指通过收发器发送的100BASE-T信号，即100BASE-TX、FX、T4或T2信号。将集线器连接网络接口卡时，其发送和接收对通常是相互连接的。集线器之间连接时，通常需要一条跨接电缆，其中的发送和接收对是反接的。MDI是正常的UTP或STP连接，而MDI-X连接器的发送和接收对是在内部反接的，这就使得不同的设备（如集线器-集线器或集电器-交换机），可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。”
5.3PHY基础知识简介
PHY是IEEE 802.3规定的一个标准模块，SOC可以通过MDIO对PHY进行配置或者读取phy相关状态，PHY内部寄存器必须满足
PHY芯片的寄存器地址空间是5位，一般由外部硬件连接决定。
地址空间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。也就是说不管哪个厂商的PHY芯片，其中0~15这16个寄存器是一模一样的。
仅靠这 16个寄存器完全可以驱动起PHY芯片，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，不管你使用的是哪个厂家的 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。
随着现在PHY芯片性能越来越强大，32个寄存器已经无法满足厂商的需求，因此很多厂商采用了分页机制来开展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。这些多出来的几次器可以实现厂商特有的一些技术，因此在Linux内核里面可以看到很多具体的PHY芯片驱动源码。
6、总结
MAC 就是以太网控制器，属于OSI的数字链路层。 phy 属于OSI的物理层(Physical layer)，所以叫phy。
MAC主要处理的数字信号，PHY负责把MAC的数字信号进行编码，串行化等操作后，转化为模拟信号进行发送。PHY在数据接受时， 进行如上所述的逆操作，将模拟信号转化为数字信号，解码，并行化后，传给MAC。
基础以太网物理层非常简单：它是一种物理层收发器（发射器和接收器），能将一个设备物理地连接到另一个设备。这种物理连接可以是铜线（例如CAT5电缆——一种家庭使用的蓝色插线电缆）或光纤电缆。
问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？
答：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/数字混合架构是为什么先将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。