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1、MAC和PHY的工作原理,高端服务器研发部 系统硬件研发处,MAC和PHY的工作原理,网卡的构成 MAC的工作原理 PHY的工作原理 以太网工作的机制,网卡的构成,网卡：网络适配器（Network Interface Card，简称NIC） 网卡包括OSI模型的的两个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光与电信号、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。 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。,网卡的构成,MAC芯片的主要功能,实现MAC子层和LLC 子层的功能； 提供符合规范的接口（
2、PCI/PCIE等）以实现和主机的数据交换。 通过MII与PHY相连。 MII:Media Independent Interface,媒体独立接口,MAC芯片的工作原理,MAC芯片模块示意图,总线接口模块一般是提供完整的PCI/PCIE总线的功能。包括中断，DMA，主从设备应答，PCI/PCIE配置管理，内存读写，内部寄存器访问等等。 xROM模块指配置的串行EEPROM，它可提供MAC芯片需要的信息如硬件MAC地址等。 有时还有远程启动的BOOTROM ，可以远程启动本地主机。 管理控制模块主要是芯片进行控制和管理，它主要是通过许多寄存器来进行的。 协议处理/ 数据转发模块主要是处理以太网
3、的MAC协议，包括数据成帧，帧数据收发，以及出错时重发等等。,收发FIFO，一般是168bit 的FIFO，来提供数据的缓冲提供收发的性能。 MII接口控制模块，把FIFO来的数据通过MII接口发送出去，并形成其它MII接口的控制信号。,MAC层芯片主要是提供主机（或CPU ）进行以太网收发的接口。 在发送部分，它接收从CPU 来的数据帧，并产生CRC 校验，再通过物理层接口将其发送出去，如在发送中出现冲突等问题则还要进行重发等控制。 在接收部分，它接收从物理层发来的数据组装成数据帧，并同时进行CRC校验。它判断以太网数据帧的目的地址是否与本机的地址匹配，并根据主机的设置来判断是否向主机发中断
4、报告各种情况（如收到一个完整的匹配数据帧或接收帧中出现错误等等）。 CRC:Cyclic Redundancy Check”，中文名是“循环冗余码”。是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。,PHY芯片的主要作用,对端口LINK状态的判断 自动协商，当然MAC可以修改PHY的寄存器间接控制自动协商 完成MII（RMII）数据和串行数据流之间的转化：包括4B/5B的编码的转化（不包括10BASE-T）；串并转换；最后转换成低压信号，根据端口不同的工作模式转换方式也有所不同。例如在100BASE-T下是MLT-3；在10BASE-T下是曼彻斯特编码 在
5、MII的工作方式下，完成冲突检测。若是工作于RMII模式下则此项任务由MAC完成。 PS:在RMII的时候，冲突检测由MAC完成。MAC把TXEN和CRS_DV信号的“近似与”作为冲突的判定标准。 CRS_DV：此信号是由MII接口中的RX_DV和CRS两个信号合并而成,PHY的工作原理,10M的MII的时钟是2.5M，100M的MII的时钟是25M,PHY芯片包括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。,100M PHY的主要模块,PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：提供4B/5
6、B编码、串并转换以及冲突检测功能，同时只要TxEN无效就提供“idle”信号给PMD层. PMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供对LINK状态的判断和载波侦听的功能，完成串行信号和NRZI信号之间的转化. PMD(PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT)：提供对信号的scrambling(扰频)/ descrambling（解扰） ；对信号进行编码，在100TX下是MLT-3 , 在10T下是Manchester. MII包含两部分，一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口MDIO/MDC. 扰码就是作有规律的随机化处理后的信码，目的是抑制线
7、路码中的长连“0” 和长连“1” ，便于从线路信号中提取时钟信号。,PHY芯片工作示意图,MDIO/MDC的功能,读取PHY的状态寄存器： 端口的连接状态；自动协商是否完成；PHY选择的工作模式以及其它状态。 写PHY的寄存器： 强制端口的工作状态；指导PHY完成自动协商；修改端口灯的显示模式；控制Crossover、FEFI等功能是否实施。上电的时候，MAC修改PHY的寄存器，控制端口是否进行自动协商，以及自动协商的能力，包括双工、速度、流控等,以太网的工作的机制CSMA/CD,CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，
8、载波侦听多路访问/冲突检测协议），是一种在共享介质条件下多点通讯的有效手段。 所谓载波侦听（CarrierSense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要确认总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。 所谓多路访问（MultipleAccess），意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。 所谓冲突（Collision），意思是若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，这样哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突，又称为碰撞。,它的工作原理是:
9、 发送数据前 先侦听信道是否空闲 ,若空闲，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突,则立即停止发送数据，等待一段随机时间,再重新尝试。 其原理简单总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发,以太网的工作机制自动协商,自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备自动通过交互信息 自动选择一种运行模式来运行。自动协商的内容主要包括双工模式 运行速率 流量控制等内容 一旦协商通过 链路两端的设备就锁定在这样一种运行模式下直到重新引导设备或重新插拔电缆。 当连接
10、的双方都有自动协商能力的时候，PHY通过发送 FLP（ Fast Link Pulse快速链路脉冲）来决定端口的工作模式，每一个FLP脉冲群包括33个脉冲，每个脉冲间隔62.5us，脉冲群的间隔为168ms。奇数脉冲代表时钟长有，偶数脉冲表示数据，有脉冲信号为“1”，没有脉冲信号为“0”。每个FLP包含16bits数据即所谓的“page”。所有的支持Auto-negotiation的器件必须能够读懂“base page。,整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成,自协商基本页信息,当连接的双方只有一方支持自动协商的时候，没有自协商能力的一方发送NLP(normal link pulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps）；有自动协商能力的PHY 探测线路上的速度信息，配置端口为10M半双工或者是100M半双工。NLP是每间隔168ms 发送一个脉冲，IDLE就是全“1”信号.,自动协商的优先级,
