MAC和PHY组成原理.docx

Mac与Phy组成原理的简洁分析分效Mac与Phy组成原理的简洁分析11.general下图是网口结构简图.网口由CpjMAC和PHY-:部分组成“DNA限制器通常属于CPU的一部分，用虚线放在这里是为了表示DMA限制曙可能会参加到网口数据传输中。DMACo11troer对于上述的三部分，并不肯定都是独立的芯片，依据组合形式，可分为卜.列凡种类型：方案一:CPU集成MAC与PHY：方案二：Clt集成MRaPHY采纳独立芯片：方案三：CPIJ不集成MAC与PHY,MAC与PHY采纳集成芯片；本例中选用方案二做进步说明，因为CPU总线接口很常见，通常都会做成可以像访问内存一样去访问，没必要拿出来说，而MaC与PHY之间的Mn接口则须必多做些说明。下图是采纳方案二的网口结构图。虚框表示CP3MAC集成在CPU中。PHY芯片通过MIl接口与CPu上的MaC连接。在软件上对网的操作通常分为下面几步：1) D为数据收发安排内存：2) 2)初始化MAC寄存器；3) 3)初始化PHY寄存器(通过MnN)；4)启动收发：2. 2.MnMll接Fl是MAC与PHY连接的标准接口。因为各厂家采纳了同样的接口，用户可以依据所需的性能、价格，采纳不同型号，甚至不同公司的Phy芯片。须要发送的数据通过MH接口中的收发两组总线实现。而对PHY芯片寄存器的配置信息，则通过MlI总的一组串口总线实现,UPMIIM(MilManagement).下表列出了MH总线中主要的些引脚PINNameDirectionDescriptionTXD0:3MactoPhyTransmitDataTXENMactoPhyTransmitEnableTXC1.KMactoPhyTransmitClockRXD0:3PhytoMacReceiveDataRXENPhytoMacReceiveEnableRXC1.KPhytoMacReceiveClockMDCMactoPhyManagementDataClockMDIOIBidireCliOnManagelnenlDHtaI/OMnM只有两个线,时钟信号MDC与数据线MD信。读写吩咐均由MaC发起，PHY不能通过MUM主动向MaC发送信息.由于通IM只能有MaC发起,我们可以操作的也就只有MAC上的寄存器。3. 3.DMA收发数据总是问费时费劲的事，尤其对于网络设备来说更是如此。CPU做这些事情明显不合适.既然是数据搬移，最简洁的方法当然是让DMA来做。终归专业的才是最好的。这样CPu要做的事情就简洁了。只须要告知WA起始地址与长度，剩下的事情就会自动完成“通常在MAC中会有组寄存器特地用户记录数据地址，Ibuse与rbase,CPU按MAC要的格式把数据放好后，启动MAC的数据发送就可以了。启动过程常会用到寄存罂tstatco4. 4.MACCPU上有两组寄存器用与MAC。一组用户数据的收发，对应上面的DMA：一组用户NnM,用户对PHY进行配置。两组寄存器由于都在CPU±,配置方式与其他CPU上寄存器一样，干脆读写即可。数据的转发通过DuA完成.5. 5.PHYPHYDM9161TXDO3TXEM-TXClK-RXD(O3<RXENRXC1.KTXTX-RX*RX-MOCMaO该芯片是一个10M100MEthernet网口芯片PHY芯片有组寄存器用户保存配置，并更新状态。CPU不能干脆访问这组寄存器，只能通过MAC上的MIIM寄存器组实现间接访问.同时PHY芯片负贲完成Mll总线的数据与MediaInterface上数据的转发。该转发依据寄存器配置自动完成，不须要外接干预。块以太包括OSl，开力系统”.联）校坐的四个层.物胤尾和敏加链踣层.物理层定义了致招传送与接收所须要的电与光值号、铁路状态、时钟抽潴.数卷编码和电路等,并向数据链路层设备供应仄力接口。数据隹络层则供应m址机构,数据敕的构建.数据左钳依ft.传送限制.向网法江供应版准的数据接口等功能.1 .网卡的蜃本给构以太Ml：中数据显路层的芯片曲前称之为MAC米制器物理层的芯片我IfJ简称之为PHY*很多网I：的芯片把MAC和PHY的功能做到了一颗芯H中.比如Intel82559M卡的和38M3C905网卡.但是MAC刊PHY的机刖还是取独存在的.只是外观的表现形式足加很芯片.当然也仃很多网卜的MACWPHY是分开做的,比如D1.NK的DFB530TX等.图-：MAC和PHY分开的以太网卡（点击放大）图.：MAC和PHY史成在赖芯片的以太网卡（点击放大）RJ-45接HTranSfOrmer（隔海变H；器>PHY芯K瓦MAC芯片EEPROMHceOOTROM捕情W01.接头用振电压转换芯片©1.ED折东灯2 .什么是MAC?首先我fJ来说说以太网卡的MAC芯片的功能.以太M数克晟路层其实包含MAC<介取访叶尔别>（-层和1.1.C（OlRiM）子层.一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子星和1.1.C子层的功fit.遥听供应符合规花的Pel界面以实现和I：机的软纲交换.MAC从PCle战收到IP敬据包（或钎或他冏络层仍议的效粼包）后.将之拆分并K新打包或於人1518Byte域小64Byte的帧.这个帧星面包括了H标MAC地址.自己的海MAC地址和数据包里面的协议突型（比如IPJS据包的类型川80&水）.处终还在一个DWORD<4Bytc）的CRC码.可足H标的MAC地址是咻里来的典？这牵扯到个ARP协议（介Irf网络层和数据贵路层的个协议）.第次传送某个目的IP地址的数据的时帙先会发出个ARP包.耳MAC的目标地址是广据地址，里面说到：谦是xxx.jax.xxx.xxx这个IP地址的主子？”因为是捕包，全麻这个局域网的主机都收到了这个ARPhi求.收到魅求的主机将这个IP地址和自己的相比较，IK如不相同优不予理睬，假加杷向优发出ARP峋应包.这个IP地址的主机收到这个ARP®求包府M史的ARP响应里说“；“我是这个IP地址的主f.这午乜里面就包括I"他的MAC苑址.以后的给这个IP地址的桢的目标MAC地址就核确定了.（其它的出议如IPX/SPX也有相应的协议完成这岐操作.）IP地址和MAe地址之间的关联关东保存在主机系统阻面，叫ftARP&,由变动程序和摊作系统完成.在MiCroSoft的系统里面可以川arp-a的吩附竹GARP衣.收到皎索帧的时帔也是样.做完CRC以后.假如及ICRC效轴常谟,就把帧头去掉.把数据包拿出来对过标球的倘口传递论小功和卜.层的仍议客栈.收终正碉的达到我们的应用程序.还孙一线限制M.例如没控帧也须要MACIttiM别并执行相应的行为.以太网MAC芯片的TW按计算机Pa鼎线.外外端就接到PHY芯片上.以太网的物理尾乂包括MII/GMII（介质独立按U>f层、PCS（物理Se码子层）、PMA，物理介质附加/层'PMDI物理介防相关子发、MDIf展。而PHY芯片是实现物理所的求妾功能：件之一，实现了前面物理以的全31的子星的功徒.3 .网络传的IuiPHY在发送致据的时帙.收flMAC过来的数期（对PHY来设，没有帧的概.含，对它来说，拇是教据而不管什么地址,数据还是CRC），保48优埴MIlbd的检代码，然后把并行数据转化为中行流数据，W依岖物理层的埼眄规则（IoBaSedT的NRZ编料或100baSedT的编码把数据a6丸再变为校推伐”把敬粼送出去.（注：关乎网线上数如是数字的还是极掀的比收不简沽理解清晰.以终我再说）收数据时的流程反之.PHY还有个限仪的功能就是笈现CSMA1CD的然分功能它可以检测到忖洛上是否“数据在传送，联加有tk累在传送中就等恃.只怜测到网络中想,再等待个跖机时间后将送皎刎出去.代如四块网卡N巧同时送出/数据.那样必将造成冲突.这时帙.冲突检测机构可以检测到冲突,然后各等待个RS机的时间处新发送数据.这个随机时间极有热完的，并不是一个常it,在不同的时刻计算出来的随机时间都也不同的，而且在多玳柒法来应付出现概率很低的同两台主机之间的其次次冲突.很多Mi在接入Internt宽带时喜货运Ur抢线”张的m1.忧是因为不同的PHY粕姬后计"随机时间的方法设计上不同，使得有些网卡比较”占便IT.不过，抱找只对广播域的网络而言的，对于交投网络和ADS1.这样点到点连接到局端设得的接入方式没什么位义,而Jr拉败"也只是相时而言的,不公行质的改变.4.关于网络IW的冲突现在交换机的普及使得交换网络的普及，使得冲突域网络少了很多，极大地提高了网络的带宽但是假如阳HUB,设若共享帝&推入Intbnol的时候还是冲突域网络，仃冲突1揪的.交换机和HU8最大的区分就是I一个站构建点到点M络的fc域网交族设备.个是构建冲突域H络的MMiMli.连设备.我们的PHY还供府/和对俄设备连接的用姿功能并通过1.ED灯够示出门1.lH前的连接的状态和I：作状态il.我们知道,为我们给网卡接入网&的时帔，PHY不断发出的肽冲信弓检测到对珀石设备，它fJ通过标社的语吉沟通，相互协商并却定连接速度、双工检式.是否采纳谯控等.通常状况卜.协标的结果是网个设备中能同时支持的很大速收和很好的双工模式.这个技术被称为AHoNegotiation或并NWAY,它们是一个意思-自动饰商.5 .PHY的由算分现在来了琳PHY的输出石面前分.颗CMoSM程的芯片工作的时候产4：的信号电平怂是大卜OV的（这取决T芯片的制器和设计能束）,但是这样的俏寸送到100米甚至更长的地方会有很人的向洸，R依的报失,而且股如外航网现干脆和芯片相连的话,电磁过应（打雷）和静电，很简洁造成芯片的损坏.再就足设符按地方法不同.电M环境不同会卬致双方的OV电平不一年.这样信号从A化到B,由于A设番的OV电平和B点的OV电¥不样,这样会导致很大的电击从电势商的设番流向电势低的设名.我，如何解决这个问膻艰？这时就出现了TranSfOrmerI隔岗变压器）这个器件.它把PHY送出来的总分第号用整模耦合的戏网鹉合池波以增颔信号.并H通过电磴场的代换粮合到连接k抄乂的另外墙，这样不但使网线和PHY之何没盯物理上的连接向模仲通了信号.阪断了信号中的直液小中.还可以在不同OV电平的设备中传送数据.附庖变Jk器本身就是设计为耐2KV3KV的电JK的.也起到了防常蹲应（我个人认为这电用防雷击不介近）变护的作用.仔些爆友的网络设备在需由天气时简洁被爆坏,大都是PCBa计不合理造成的，WIlX播烧算了设符的接口，很少的芯片被烧毁的，就是隔唱变压器起到了爱护作用.6 .关于传迎质隔离变压器本4站个被动元件.只是把PHY的他;；够介/到网战匕并没仃起到功率放大的作用.W么一光网卡信号的传输的城长距高是审确定的呢？兆MI：的传输最大坤盛和。对沿设2连接的*容性七集是PHY确定的/!也可以科信号送的超过100米的PHY站输出的功率也比较大,更将浩产生EMI的问鉴.这时候就须要合适的Transformer与之为作.作PHY的老人公司Ktarvell的PHY.势常可以传送18O2米的冲珞.远远超过IEEE的100米的标准.RJ45的接头实现了网卡和M战的连接.它里面右8个铜片可以和网戏中的4对“位8根戊对应连推，共中100M的网络中1、2是传送数据的.3.6是接收数娓的1,2之间是一对差分治号，也就是说它们的波形样,但是相位相若180度,同时刻的电压程度互为正负.这样的信号可以抄迅的更远.ft干扰实力必.同样的3、6也一样是差分仿号.网观中的8根线,每苒根扭在一起成为一时.我们制作网战的时候，肯定要留意要止1、2在其中的一对，3.6在一对.否则长距禽状况卜运用这根时线的时帔公号i¾无法连接或连接彼不独定.现在新的PHY支持AUTOMDl-X功能（也须要TranSlOrmer支特）.它可以实现RJ45接口的1、2h的传送借号线和3、6上的接收信号线的功能自动用正交换.有的PHY甚至支排一对线中ft：川4.'；和负信号的功能自动交换.这样我们就不为了究电连接某个设备沟要运用IfiS网戌还是交叉M税而费心了.这项技术已灶被广场的应用在交换机和SOHOHHhiSE.在100oBaSdT网络中,其中最辞电的一传输方式是运用网魏中全部的4对双姣跳.其中塘加了4.5和7、8米共同传送接收数拼.由于100oBaSedilq络的规范乜含了AUTOMD1.X功能.因此不能严格确定它们的传出或接收的关系，要看双方的详细的砂箭结果.7 .PHY和MAC之间加忖进行沟建卜血接行让我们来关切I'PHYfiMAC之何必加何传送散糖和相互沟通的.妁过IEEE定义的标府的MIIllGigaMIIIMedaIndependedInterfade.介噎独.界面界而连接MAC物PHY。这个界面是IEEE定义的，Mll界面作逼了M络的全部数据和数据的限制C而MAC对PHY的工作状仓的册定利对PHY的俄刖则足运川SMI-SerialManagementlnlrfa界Im处过读当PHY的寄存器来亢成的.PHY里曲的部分弯存Jl也是IEEE定义的.这杵PHY把力己的目的的状态反映到寄存器里面，MAC通过SMl总统不断的读取PHY的状态商存舞以得知EIlli）PHY的状态,例如连接速收，打工的实力等.当燃也可以通过SMl欢JlPHY的寄存器达到JftlH的目的,例如泡控的打开关闭,自办商税式还足强制模式等.我们行刎J"不论此物理连接的MilVAJilftlSMl息线还址PHY的状态卷存编和讯刖济在啬播是份IEEE的跳他的，闪此不同公司的MAC和PHY一样可以切调工作.当然为了协作不同公司的PHY的自己特有的一些功便，嬖动须要粒相血的抵改.片网卡主要功能的实现就城本上是上面这垓件了.耳他的，还有一璇EEPROM芯片，遇常是粕93C46一y向记.求门Wk芯片的供应商ID、子系统供应商ID、Mk的MAC地址、网卡的ftt!W,如SMl总找上PHY的地址，BooTROM的容Iib是否由MBoOTRoM，；|导系统等东西.很4；MRhiI:YiBOOTRoM这个东西.它是用卜无融工作站引号操作系统的.陶然无fit.*SJI导川必需用到的程序和协双栈就放到理面了.例如RP1.PXE.I）：匕奴是个标准的PClROM.M以才会有一些更i写爱护卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其女PCI设备的ROM是可以放到主板BlOS曳面的,启动电SS的时恢一样可吸检测到这个ROM并且正确M别它由什么设符的.AGP在配置上和Pa很多地方样,所以多多显卡的BIOS也可切收到E板BIOS里面.这就。为什么板数的网Rftf）从来没有看到过BOOTROM的修由.8 .网卡的供电最终就是电源部分了,大多数M卡现在都运用3.3V或更低的电H1.仃的是双电压的，囚此须要电源杆换电路.而IlMI：为了依理WakconIino功能，必霜保ill：全都的PHY和MAC的短少觥分始终处P有电的犹态,这发生杷主板上的5VStandby电氏Mift为PHY工作电流的电路.在立机开机府.PHY的工作电爪展当被从5V转出来的电乐信代以Y为SVStandby的消耗.（很多芬林网k没有这么做）.«Wakeonline功能的网卡俺还TJ个WO1.的接口.95是因为PCI2.1以就没有PCI设名唤展主机的功能,所以须娈希一根跋通过匕板上的WO1.的接口连到用桥里.面以我现WO1.的功能，新的主板合阿卡殷支打PCI2223.如屣了PME#信号功能,不须要那个接【】而卷过Pel总纹就可以实现便朋功能.»9一块以太网卡就髭这些部分生成，它打髭率地协作并n相互协诩,伏向我们一个枪定而告知的网络接入，网络的普及不但极大地增加了工作效率,而且使我11可以自由的驰翁在Ingmet的海祥中!ffiW：线上的究克是模拟位号还是数字信号叱？拧窠是模拟信号。囚为它怡出和接收是米纳的KS拟的技术。助送它传送的信息是数字的，并不是传送的信息是放字的,信号就可以叫做数字信号.简沽的例子：我们知道电话是模拉（M以正与我们拔、川:网的时候.电话线里传送的是数字信l&.但信号本身叫IH是模拟的.然而ADS1.同样是通过电话找传送的.却是敬字信号,这取决于它传出和接受采雄的技术。