以太网原理MAC和PHY

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1、以太网设计FAQ：以太网MAC和PHY片，这样能去掉许多外。单片以太网微控制器答：MAC就是媒体接控制器以太网MACIEEE-802.3以太网它实现C同时支持10Mbps和100Mbps常情况下，它实现MII接口。问：什么是MII？答：MII即是IEEE-802.3的以太网行业标准。它包括一间的管理接口(图1)。送器和接收器的两条独立信道。MII共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时问：如何实现单片以太网微控制器？:是微控制器以太网控制器(MAC)和器(PHY)整合器MAC和PHY实现的片降低了功耗，特别是在采用掉电模式的情况下。问：以太网MAC是什么？和控制PHY的MA以MAC和

2、PHY自己的数据、时钟和控制个是数据信号。通过管理PHYIDOBaseTXT抿脚捕汕耽価nterfaceswiththePHYtiirouianMILlhetypical10/100PHYEthernetimptementatEonncorporatesseparatelOBaseTandlQDBaseTXinterfaces.Phase-locked1卿$MilmanagenmilFl軸controlTransmilerbuHenRevivebulfeisMedium-indeiiendenlinterlace|MII)林讷罪柑册邯翱GM新翻褴酗1|sipport问：以太网PHY是什么？:P

3、HY是器实现IEEE-802.3aseT(14)和100BaseTX(24和25)的Receiver以太网PHY合IEEE-802.3k10B问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？:PHY拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。芯片面积及模/数字混合架构是为什么MACPHY留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可实现MAC和PHY的问：除RJ-45接口外，还需要其它元件吗?答：需要其它元件。虽然PHY,但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为PHY的问：lOBaseT和lOOBaseTXPHY实现方式不同的原因何

4、在?实现的是一样的，但两者的不同。其目的是阻止一种硬件实现lOBaseT曼彻斯特编码，lOOBaseTX4B/5B编码：曼彻斯特编码又称曼彻斯特相位编码，它通过相位变化来实现每个位（图2）示“1”，下降沿表“0”端的相位变化可忽略不计，但有时又而令问：什么是曼彻斯特编码?的周期中部的在内，这取ioi1i1iniManchesterBicodingNManchesterEncodingrequirestransitionsuptotwicethefrequencyofdatathrouiput,butitallwseasyflnclcsyiwhnmiiatiiHL问：什么是4B/5B编码?：Wi

5、lliamWong，式/件编,ElectronicDesign有关MAC、PHY和MIIEthernet是局域网组网技术，线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前、FDDI和ARCNET经100M以太网在IEEE制定的IEEE802.3标准，它规定了包括物理层的连普遍的局域网技术。它很大了其他局域网标准，纪末的飞速发展后，目前千兆至10G以太网正在：4B/5B编码是一种块编码方式。它将一个4位的块编码成一个5位的块。这就使5位块内永远至少包含2个“1”，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销。国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。基于以太网的应用一定时期内是

6、研究开发热点。Ethernet的接口实质是MAC通过Mil总线控制PHY的过程。1. MACMAC是MediaAccessControl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并是否发生传输错误，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。2. MIIMII即媒体独立接口,媒体独立表

7、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。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数据接口总共需要16个信号，包括:transmitdata-TXD3:0transmitstrobe-TX_ENtransmitclock-TX_CLKtransmiterror-TX_ER/TXD4receivedata-RXD3:0receivestrobe-RX_DVreceiveclock-RX_CLKreceiveerror-RX_ER/RXD4collisionindication-COLcarriersense-CR

8、S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)做为datasamplingreference用的两组clock，频率应为25MHz(TX_CLK,RX_CLK)各4-bit的输出、输入Bus(TX0:3,RX0:3)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+3.3VMII以4bit，即半字节方式双向传送数据，时钟速率25MHz，其工作速率

9、可达100Mb/s。MII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。MII界面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(SerialManagementInterface)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，例如流控的打开关闭，自协商模式还是强制模式等

10、。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。RMII(ReducedMediaIndependantInterface)简化媒体独立接口，是标准的以太网接口之一，比MII有更少的I/O传输。关于RMII口和Mil口的区别:RMII口是用2根线来传输数据MII口是用4根线来传输数据GMII是用8根线来传输数据MII/RMII只是一种接口，对于10M线速,MII的时钟是2.5M,RMII则是5M；对于100M线速，MII的时钟是

11、25M,RMii则是50M。ThestandardMIIfeaturesasmallsetofregisters:*BasicModeConfiguration（#0）*StatusWord(#1)* PHYIdentification(#2,#3)* AbilityAdvertisement(#4)* LinkPartnerAbility(#5)*AutoNegotiationExpansion（#6）MII/RMII用于传输以太网包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太网的PHY里需要做串并转换、编解码等才能在双绞线和光纤上进行传输，其帧格式遵循IEEE802.3（10M）/IE

12、EE802.3u（100M）/IEEE802.1q（VLAN）。以太网帧的格式为：前导符+开始位+目的mac地址+源mac地址+类型/长度+数据+padding（optional）+32bitCRC,如果有vian,则要在类型/长度后面加上2个字节的vlantag,其中12bit来表示vlanid,另外4bit表示数据的优先级！3. PHYPHY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。lOOBaseTX采用4B/5B编码。PHY在发送数据时，收到MAC过来的数据（对PH

13、Y来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC）,每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它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。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且

14、有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。通信速率通过双方协商，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为AutoNegotiation或NWAY。隔离变压器把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连接网线的另外一端oRJ-45中1、2是传送数据的，3、6是接收数据的。新的PHY支持AUTOMDI-X功能（也需要隔离变压器支持）。它可以实现RJ-45接口的1、2上的传送信号线和3、6上的接收信号线的功能自动互相交换网卡工作在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

15、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）。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。网卡的组成工作原理1.认识网卡，我们上网必备组件之一。网卡工作在OSI的最后两层：物理层和，物理层定义了数据的电与光等，并向数

16、据链设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。址机构、数据帧的构建、数向网络层提供标准的。以太网卡层的之MAC。多网卡的这两到一起的。他们之间的关系是pci总mac线，mac接phy，phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变置）。下面继续让我们来关心一下PHY和MAC之和相互沟通的过IEEE定义的标准的MII/GigaMII(MediaIndependedInterfade，)MACPHY。是IEEE定义的。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的使用SMI(SerialManagementInterface)过PHY的成的。PHY的部分寄存

17、器也IEEE义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到,MAC过SMI总线不断的读取PHY的PHY的态，例如连接速度，双工的能力等。当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的，的打开关闭，自我们看到了理连接的MII界面SMIPHY的IEEE的规范的，因此不同公司的MAC和PHY工作。当然为了配合不同的PHY的有的一功能，驱动需要做相应的修改。一片网卡主功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的，还一EEPROM，通常是一颗93C46。里面记录了网卡芯片的供应IDID网卡的MAC网卡的一些配置，如SMI总线上PHY的，BOOTROM的容量，是否BOOTROM引导系统等东西。很多网卡上还有

18、BOOTROM这个东西。它是用于无盘工作站引导操作系统的。既然无盘，一些引导用必需用到的程序和协议栈就,RPLPXE。上一的PCIROM。一些硬盘写保护卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其实PCI设备的ROM是可BIOS的。启电脑的时候一样ROM并且正确识别它是什备的。AGP上PCI一,卡的BIOSBIOS。这就是为什么板载载的网卡我们从来没有看到过BOOTROM的原因。2.工作过程PHY址，数据还是送数据的时CRC），每候，收到4bit到MAC过来增加1bit的数的检（PHY,错码，然后把并行没有帧的概念，对它(10Based-T的NRZ100based-T的斯特编码）把数据编码，再

19、变为程反之。现在PHY的后面部分。一颗CMOS制程的芯片工作的时产生的决于芯片的程和设计需求），但是这样的信到100米甚至更长的地方会有很大的直网线直接和芯片相连的话，电磁感应（打雷），很容易造成芯的损坏。按照物理层的编码规送出去。收数据时的0V的（的损失。而且如果外电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号ABA备的0VB点的0V电平不一样，这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设Transformer(离变压器）这个器件。它把PHY送出来的差分信号用差的且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外端。这样不但使网PHY理上的连接断了信号中的直流分量还可以在不同0V平的设备中传送变压

20、器本身就是设计为耐2KV3KV的电压的。也起到了防雷感应（我个人认为合适）保护的作些朋友的网络设备在雷PCB计不合理造成的，备的片被烧毁的，就是隔离据时，网卡首先侦听介一旦通信介质在一定时IFG=9.6秒）是安静的，即信介质，以检测冲期间，如果检测到冲It”那些可能一直在接收的损坏的帧CSMA/CD等待时间的算法是法）。在等待一段的发送。传多次后（大于16次）时，网卡浏览介质上传输的每个帧，如果其长度小于64字的帧目的地址是本地地址，大于1518字节（称的LAN序或干扰造成）或未能过CRC校验，则认变。通过校验的帧有效的，网卡行本地处理网卡的原理及测试技术网卡充当计算机和网络缆线之间的物理接口

21、或连线将计算机中的数字信号转换成电或光信号,称为NIC（networkinterfacecard)传输的，而在网络的物理缆的比特流方式传输的，网卡承数据间的转换。网卡在发要同接收网卡进行可发送数据的大小、发送的数据量的大小、两次发送数据间的间隔、等待确认的时间、每个网卡在溢出前所能承受的的、网卡的基本构造网卡包括硬件和固件程序（只读存储器中的软件例程），该固件程序实现逻辑链路控制和媒体访问控制的功基本内存录唯一的硬件地basemermacoryaddress)，网卡上一般有缓存。网卡须分配中断transceiverirq及基本i/o网卡的控制芯片是网卡中最重要是网卡的控的cpu网卡的工作数据的

22、的传送和连接时的信号侦测。早期的10/100m的双速网卡会下的运算，而目前较先进的产品有一个芯片产生网卡所有芯片的运原理就象主板上的晶体震荡器一样，通常网卡是使用2025hz的bootrom插槽如无特殊要求网卡中的这。一般是和bootrom芯片搭配导进入win9x。bootrom就是启、软驱和光驱的情一个软驱的工作站。密的功能。同时，还件的费用。在使bootrom时要网络操作常有bootromfornt，bootromforunix，bootromfornetware等，bootrom启动eprom从前的老式网卡都要靠设或是dip开irq、dma和i/oport等值，而现在的网卡定，几乎看不见

23、跳线的存在。各种网卡的状态和网卡的内接式转换器只要有bnc接头的网卡都会有数据转换，让网卡能通过它bncrj-45bncrj-45媒介的一息等数据都存在这颗小小的eeprom里，通过紧邻在bnc接头旁，它的功能是在网卡和bnc网卡lOOmbps网bnc信号指示灯在网卡后方会有二到三个不等的txrx辨别全双工的网卡是否处于全工的网络环示信号，通过不同的灯光变换表示网络是二、网卡的分类目前网络的连线状态，通常具有tx和rx于全双工的运作状态，的中间部分）。也有部分低速网卡只用三、网卡测试技术基于操作系统的测试网卡一个重要的性能是看其是否支持sco、Solaris、hp、noveil、dec基于主机

24、的兼容性测试硬件上的兼容性也是非常重要的一个些名牌的网卡在一些笔记本电脑上也网卡传输速率测试（数据吞吐量）测试网卡的传输速率一般有硬件和软其他一些设备，利用icmpecho请求autonegotiationtest测试网卡速率、全双工/半双工和流网络操作时网卡udp数据包来检测arptest测试网卡arperrortest测试网卡frame的的网卡的frame网卡接收到存在crc校验的frame网卡网卡接收到的frame网卡网卡接收到bits的frame网卡网卡接收到超小frame，网卡应将其丢弃。网卡接收到超长frame，网卡应将其丢弃。packetslosstestrfc测试网卡的处理fr

25、ame的frame的throughputtest数据吞吐量的测试也秒处理的bits数量。是rfc规定的一项测试测试的back-to-backtest测试rfc-2544的在不丢失数据包的情况下可并测试的最frame测试通常是利用zd的netbench来测试构，一台windowsntserver测试的结果将反映出网卡的的网windowsnt、unixlinux、freebsd的网tcp/ipfipx/spxfapple、netbeui容性问题比较突出，根据本人的实际经验，甚至某用的仪器如网络分通常测试的项目有停桢pauseframe”这个时间由测试者测试0.5%、smartbitssmartca

26、rds的测试输到传输速率的不断变化一直到出传输的最大带宽的利理的frame速率下网卡可处理的并发frame的数测试网卡的最大率。测试时要组成一个网的windows9xwindowsntstation另一个测试项目是测试网卡对较小的100mbps讨论一下tcp/ip的ping命令的机制。ping是利用发送和接收icmpecho报文，来检测链路状态和协议设置。数据链路层封装的是frame，大小在64k1518k之间，当发送frame时，网卡接受到frame时首先要读取桢头和桢尾的mac地址，当mac地址相匹配时再接封装读取ip地址。当网卡连续接收到frame时，要对每一个frame做出处理，当网卡

27、或是系统无法处理这些数据包时，这些数据包将被丢弃。这种情况多发生在连续发送非常小的frame时。ping的机制是发送一个icmp报文，接收到一个icmpecho后再发送下一个icmp报文。所以较小的连续的frame会对网卡和系统造成较大的压力。在netbench中，有一项测试就是测试网卡或系统对连续的小数据包的处理能力。稳定性测试一块好的网卡应该具有良好的稳定性，具体讲就是在不同的工作环境下和不同的工况下应具有稳定的表现。通常测试主要是高温和传输大文件测试。高温测试一般是在3035摄氏度下连续运行网卡的测试程序达一定的时间比如2小时以上，检测网卡高温下的稳定性。pcmcia接口的网卡一般有两种32位的和16位的，前者又称为cardbus网卡，数据带宽由16位增加到32位，使得pcmcia的网卡发热量成为一个显著的问题。另一个测试是传输大的文件，某些品质较差的网卡在传输大容量的文件比如2gbps以上的文件时容易出错。综上所述，在测试一块网卡时要进行全面的软、硬件及兼容性测试，可根据具体的应用和不同的要求，有机的选择测试项目，正确反映网卡的性能指标。