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1、以太网PHY寄存器分析1、以太网PHY标准寄存器分析PHY是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（station management entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过SMI（Serial Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器（随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器，在此不作讨论），IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制
2、造商自由定义，如表1所示。以下结合实际应用，对IEEE802.3定义的寄存器各项功能进行分析。表1 PHY 管理寄存器集Register address Register name Basic/ExtendedMII GMII 0Control B B 1Status B B 2,3PHY Identifier E E 4Auto-Negotiation Advertisement E E 5Auto-Negotiation Link Partner Base Page Ability E E 6Auto-Negotiation Expansion E E 7Auto-Negotiation
3、Next Page Transmit E E 8Auto-Negotiation Link Partner Received Next Page E E 9MASTER-SLAVE Control Register E E 10MASTER-SLAVE Status RegisterE E 11 through 14Reserved E E 15Extended Status Reserved B 16 through 31Vendor Specific E E 1.1 Control Register寄存器0是PHY控制寄存器，通过Control Register可以对PHY的主要工作状态进
4、行设置。Control Register的每一位完成的功能见表2。表2 Control RegisterBit(s) Name Description R/Wa0.15Reset 1 = PHY reset 0 = normal operation R/W SC 0.14Loopback 1 = enable loopback mode 0 = disable loopback mode R/W 0.13Speed Selection (LSB) 0.6 0.13 1 1 = Reserved 1 0 = 1000 Mb/s 0 1 = 100 Mb/s 0 0 = 10 Mb/s R/W 0
5、.12Auto-Negotiation Enable 1 = Enable Auto-Negotiation Process 0 = Disable Auto-Negotiation Process R/W 0.11Power Down 1 = power down0 = normal operationR/W 0.10Isolate 1 = electrically Isolate PHY from MII or GMII 0 = normal operationR/W 0.9Restart Auto-Negotiation 1 = Restart Auto-Negotiation Proc
6、ess 0 = normal operation R/W SC 0.8Duplex Mode 1 = Full Duplex 0 = Half Duplex R/W 0.7Collision Test 1 = enable COL signal test 0 = disable COL signal test R/W 0.6Speed Selection (MSB) 0.6 0.13 1 1 = Reserved 1 0 = 1000 Mb/s 0 1 = 100 Mb/s 0 0 = 10 Mb/s R/W 0.5:0 Reserved Write as 0, ignore on Read
7、R/W Reset：Bit15控制的是PHY复位功能，在该位置写入1实现对PHY的复位操作。复位后该端口PHY的其他控制、状态寄存器将恢复到默认值，每次PHY复位应该在0.5s的时间内完成，复位过程中Bit15保持为1，复位完成之后该位应该自动清零。一般要改变端口的工作模式（如速率、双工、流控或协商信息等）时，在设置完相应位置的寄存器之后，需要通过Reset位复位PHY来使配置生效。Loopback：Loopback是一个调试以及故障诊断中常用的功能，Bit14置1之后，PHY和外部MDI的连接在逻辑上将被断开，从MAC经过MII/GMII（也可能是其他的MAC/PHY接口）发送过来的数据将不
8、会被发送到MDI上，而是在PHY内部（一般在PCS）回环到本端口的MII/GMII接收通道上，通过Loopback功能可以检查MII/GMII以及PHY接口部分是否工作正常，对于端口不通的情况可用于故障定位。需要注意的是，很多时候PHY设置Loopback后端口可能就Link down了，MAC无法向该端口发帧，这时就需要通过设置端口Force Link up才能使用Loopback功能。案例：在S3760-12SFP/GT开发过程中，我们曾经出现过一个故障，其中有一片PHY（88E1145）对应的端口发送的帧出现CRC错误，当时这个问题的排查过程经历和很长的时间，最后得出的结论是RGMII的
9、接口电平配置电阻焊接混料导致故障。我们姑且不去考虑这个案例实际的解决过程，在这里讨论一下如何通过Loopback功能对该问题进行定位。首先介绍一下S3760交换部分的架构，MAC芯片为98EX126，通过RGMII接口连接到PHY芯片88E1145，MAC通过PCI管理总线连接到CPU。在这个案例中，查看88E1145的资料，其Loopback操作在PCS子层完成，两个方向的Loopback，如下图所示。第一种模式，从MAC经过RGMII发送的帧到达PCS后被Loopback到RGMII的接收通道再送回给MAC（这种模式就是上面所描述的寄存器0 Loopback位控制的Loopback模式），
10、另一种模式，从MDI接收上来的帧到达PCS后被Loopback到MDI的发送通道，这种Loopback模式在IEEE802.3中并没有要求，但是目前常见的PHY都支持该功能。分别做这两种Loopback操作，可以发现第一种Loopback操作之后可以在MAC上检测到CRC错误，而第二种Loopback模式，用SMB从端口砸帧再Loopback回来没有检测到CRC错误，这样我们就可以判断故障应该在PCS以上的部分，并且，两种Loopback模式下PHY的PCS都有再工作，基本上也可以排除PCS的故障。因此可以进一步定位到故障在PHY的RGMII或者MAC上。我们就可以去检查这些部分的相关设计来解
11、决问题了。要进一步更精确的定位问题，我们还可以去查询MAC芯片是否有类似的端口Loopback功能，如果有则在MAC内部也做一下Loopback观察是否有CRC；如果没有，可以将MAC和PHY的RGMII接口断开，将MAC的RGMII发送和接收通道自己连接起来，将PHY的RGMII发送和接收通道自己连接起来，分别做砸帧测试观察有没有CRC，这样就可以进一步的缩小范围。不过这个S3760的案例有其特殊性，98EX126没有端口的Loopback功能，而MAC的RGMII发送信号直接连接到PHY，中间没有电阻，而且两者都是BGA封装，这两个实验都没办法进行。因此故障排查中需要检查的范围就比较广一点
12、了。但是从中我们我们可以看出，Loopback操作在故障定位中可以起到将各个功能模块隔离定位的作用，虽然这些模块在物理上是集成在一个芯片中的。这种分割隔离的思想在故障定位中是非常重要的。Speed Selection：Bit13和Bit6两位联合实现对端口的速率控制功能，具体的对应关系祥见表2。需要注意的是Speed Selection只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用；并且，对Speed Selection的修改设置，往往需要复位端口才能配置生效。因此在设置该位置的时候需要检查自动协商的设置并通过Bit15复位端口。Auto-Negoti
13、ation Enable：自动协商（AN）开关。设置为1表示打开AN功能，端口的工作模式通过和连接对端进行AN来确定。如果设置为0则AN功能关系，端口的工作模式通过Control Register相应位置的配置决定。必须注意的是，对于1000BASE-T接口,自动协商必须打开。Power Down：端口工作开关。设置为1将使端口进入Power Down模式，正常情况下PHY在Power Down模式其MII和MDI均不会对外发送数据。Power Down模式一般在软件shut down端口的时候使用，需要注意的是端口从Power Down模式恢复，需要复位端口以保证端口可靠的连接。Isolat
14、e：隔离状态开关。改位置1将导致PHY和MII接口之间处于电气隔离状态，除了MDC/MDIO接口的信号外，其他MII引脚处于高阻态。IEEE802.3没有对Isolate 时MDI接口的状态进行规范，此时MDI端可能还在正常运行。Isolate在实际应用中并没有用到。并且，值得注意的是，由于目前很多百兆的PHY芯片其MAC接口主流的都是SMII/S3MII，8个端口的接口是相互关联的，一个端口设置Isolate可能会影响其他端口的正常使用，因此在使用中注意不要随意更改bit10的状态。Restart Auto-Negotiation ：重新启动自动协商开关。Bit9置1将重新启动端口的自动协商
15、进程，当然前提是Auto-Negotiation Enable是使能的。一般在修改端口的自动协商能力信息之后通过Bit9置1重新启动自动协商来使端口按照新的配置建立link。Duplex Mode：双工模式设置。Bit8置1端口设置为全双工，置0则端设置为半双工，和Speed Selection的设置一样，Duplex Mode的设置只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用，端口的双工模式根据AN结果来定。对Duplex Mode的修改配置也需要复位端口才能生效。Collision Test：冲突信号（COL）测试开关。在需要对COL信号进行测试时，可以通过Bit7置1，这时PHY将输出一个COL脉冲以供测试。实际测试操作中也可以将端口配置为半双工状态，通过发帧冲突来测试COL信号，因此该配置实用价值不大。1.2 Status register寄存器1是PHY状态寄存器，主要包含PHY的状态信息，大多数bit的值都是由芯片厂家确定的，每一个bit的功能在表3种已有详细说明。其中指示PHY所具有的工作模式能力的寄存器不再多讲，值得注意的有以
