概述：由于近期要使用以太網(wǎng)PHY芯片，于是在網(wǎng)上查找各種資料，學(xué)習(xí)這部分的知識(shí)，這篇文章是對(duì)當(dāng)前的學(xué)習(xí)做一個(gè)匯總。海翎光電的小編目前也是在學(xué)習(xí)PHY，所以難免會(huì)有錯(cuò)誤不足，有什么需要更正補(bǔ)充的，歡迎大家一起討論交流。 什么是PHY？ PHY（英語：Physical），中文可稱之為端口物理層，是一個(gè)對(duì)OSI模型物理層的共同簡(jiǎn)稱。而以太網(wǎng)是一個(gè)操作OSI模型物理層的設(shè)備。一個(gè)以太網(wǎng)PHY是一個(gè)芯片，可以發(fā)送和接收以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀（frame）。 也就是說，PHY是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的最底層，物理層。PHY芯片是實(shí)現(xiàn)物理層這一層功能的芯片。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間就是通過PHY芯片相互連接的（介質(zhì)是網(wǎng)線或者光纖）。 拿CPU與PHY的連接舉例，網(wǎng)絡(luò)上層幾層框架，基本都可以封裝或集成到CPU內(nèi)部，但一般PHY芯片可能會(huì)單獨(dú)出來，雖然目前一些集成度高的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，或者CPU也可以做到將PHY集成到一個(gè)芯片。但一般來說，PHY的功能是單獨(dú)做到一個(gè)PHY芯片內(nèi)部的，集成了PHY的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片（CPU、交換機(jī)芯片等等）一般也有接口連接單獨(dú)的PHY。這是因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; visibility: visible; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">PHY的主要功能就是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)，然后在網(wǎng)線或者光纖傳輸。因?yàn)槟M信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的不同，加上不同設(shè)備之間的傳輸環(huán)境復(fù)雜，因此，大部分的PHY都是單獨(dú)做到一個(gè)芯片內(nèi)的。 因此，在一般的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電路設(shè)計(jì)中，需要為PHY芯片設(shè)計(jì)電路。PHY的芯片廠家為了滿足大部分的應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)在PHY上面提供很多接口協(xié)議，以供設(shè)計(jì)人員使用。比如，一顆PHY可能會(huì)支持網(wǎng)線傳輸，又或者支持光纖傳輸，然后在連接數(shù)據(jù)鏈路層這邊，會(huì)提供很多的MII接口以供選擇。 由于一個(gè)PHY芯片的功能可能會(huì)比較多，因此，在PHY芯片的應(yīng)用中，有一點(diǎn)很重要的就是要選擇合適的接口來滿足自己的應(yīng)用。 MII是連接PHY和MAC的總線。有一系列的MII總線協(xié)議來滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如MII, RMII, SMII, GMII, RGMII, SGMII, XGMII等等。 既然有這么多的協(xié)議，為什么不使用同一種固定的總線協(xié)議呢，比如IIC或者SPI這種，這么多的總線協(xié)議，不是加大了應(yīng)用設(shè)計(jì)的難度？
這是因?yàn)椋W(wǎng)絡(luò)傳輸是一種高速的通信，而且是一直在發(fā)展的，導(dǎo)致以前的一些協(xié)議已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的傳輸要求，比如從10M/100M到現(xiàn)在的1G/10G等等，不同的MII接口就是為了滿足不同的應(yīng)用。而且，由于芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展，也可以對(duì)一些占用資源的總線做優(yōu)化改動(dòng)，例如以前的并口通信，會(huì)占用很多的引腳資源，但現(xiàn)在由于高頻通信的發(fā)展，使用串行總線也可以達(dá)到高速通信的目的，并且還節(jié)省引腳資源。
下面介紹一些常用的MII總線協(xié)議，以供參考。 注：MII命名是有一定規(guī)律的，比如G代表1000兆，XG代表10G（萬兆），R代表減少引腳，S代表串行通信，例如，RGMII就是減少引腳的1000兆MII總線，SGMII就是串行通信的1000兆MII總線。 2.RMII：MAC和PHY芯片之間的接線圖，數(shù)據(jù)線相比MII減半,時(shí)鐘為50MHZ,還是需要注意TX_CLK是由phy芯片發(fā)出,如果是需要自適應(yīng)10/100M。 4. GMII：對(duì)應(yīng)為千兆網(wǎng)；要實(shí)現(xiàn)1000Mb/s、100Mb/S、10Mb/S自適應(yīng)必須加上TX_CLK（PHY輸出） 有很多PHY芯片有許多的接口和功能，需要根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇配置，配置的方法就是配置PHY內(nèi)部的寄存器，而SMI接口就是PHY專門用于管理這些寄存器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。SMI接口是一個(gè)串行接口，接口包括兩根信號(hào)線：MDC和MDIO。 這個(gè)接口也是遵守IEEE802.3協(xié)議規(guī)范的，因此可以通過IEEE802.3協(xié)議了解SMI接口的具體細(xì)節(jié)要求。下面對(duì)SMI接口做一些簡(jiǎn)單介紹。
MDC： 管理接口的時(shí)鐘，它是一個(gè)非周期信號(hào)，信號(hào)的最小周期（實(shí)際是正電平時(shí)間和負(fù)電平時(shí)間之和）為400ns，最小正電平時(shí)間和負(fù)電平時(shí)間為160ns，最大的正負(fù)電平時(shí)間無限制。
MDIO：這是一根雙向的數(shù)據(jù)線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。MDIO數(shù)據(jù)與MDC時(shí)鐘同步，在MDC上升沿有效。
目前SMI接口一共有兩種協(xié)議，第22條款和第45條款，其中兩個(gè)條款使用同樣的硬件，在時(shí)序上是一致的。第22條款和45條款，就是對(duì)應(yīng)IEEE802.3的22節(jié)和45節(jié)。現(xiàn)在一些簡(jiǎn)單的PHY內(nèi)部的寄存器使用的是802.3的第22條款，只有32個(gè)寄存器，功能簡(jiǎn)單，比如一些千兆百兆PHY。而一些復(fù)雜的PHY使用的是802.3的第45條款，可以將寄存器擴(kuò)展至65536個(gè)寄存器。
注：雖然對(duì)于PHY芯片的寄存器有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但廠家有可能不按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所以最好是查看對(duì)應(yīng)的芯片手冊(cè)了解寄存器的功能。
PHY的SMI接口可以由MAC側(cè)或者M(jìn)CU（單片機(jī)）控制，通過SMI接口可以實(shí)現(xiàn)PHY的配置以及各項(xiàng)參數(shù)的讀取，以達(dá)到監(jiān)控PHY的狀態(tài)。當(dāng)MCU無SMI接口時(shí)，可以使用GPIO模擬SMI接口。
目前數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，主要的傳輸介質(zhì)是銅纜或者光纖，在PHY芯片對(duì)應(yīng)的就是電口或者光口。我們經(jīng)常見到1000base-T、1000BASE-TX、1000BASE-FX這樣的描述，對(duì)應(yīng)的解釋如下。1000：表示傳輸速率；BASE: 表述基帶；-T/TX：傳輸介質(zhì)為銅介質(zhì)的雙絞線，其中1000BASE-T對(duì)應(yīng)傳輸線為4對(duì)，全雙工運(yùn)行，時(shí)鐘125MHZ。超五類網(wǎng)線。1000BASE-TX對(duì)應(yīng)傳輸線也為4對(duì)，只是其中2對(duì)用來收，兩對(duì)用來發(fā)。故運(yùn)行時(shí)鐘250HZ,對(duì)應(yīng)線纜為6類網(wǎng)線。-FX：傳輸介質(zhì)為光纖；光口，信號(hào)傳輸走的是光信號(hào)這是與上面不同的。 PHY芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
PHY它包含了多個(gè)功能模塊，功能模塊的多少會(huì)因需要的不同而有所增減。比如：只有10GBase-R、40GBase-R、100GBase-R的PCS需要FEC；
40GBase-R的PCS需要2個(gè)PMA、100GBase-R的PCS需要3個(gè)PMA；
只有≥1Gbps以上的背板應(yīng)用場(chǎng)景才會(huì)用到AN。
PHY由多個(gè)模塊組成，各個(gè)功能模塊的作用如下：PLS：PhysicalSublayer Signaling，對(duì)MAC給的信息進(jìn)行傳遞，只在1Mb/s、10Mb/s的應(yīng)用場(chǎng)景才出現(xiàn)；
PCS：Physical Coding Sublayer，對(duì)MAC給的信息進(jìn)行編碼，應(yīng)用于≥100 Mb/s的應(yīng)用場(chǎng)景，比如完成8B/10B、64B/66B、256B/257B編碼；
FEC：Forward Error Correction，前向糾錯(cuò)，與10GBase-R、40GBase-R的PCS 搭配；
RS-FEC：Reed-Solomon前向糾錯(cuò)，比單純的FEC糾錯(cuò)能力更強(qiáng)，與100GBase-R的PCS 搭配，采用256B/257B編碼；
PMA：Physical Medium Attachment，物理媒介適配層，PMA子層主要用于串行化和解串。PMA子層中集成了SERDES，發(fā)送和接收緩沖，時(shí)鐘發(fā)生器及時(shí)鐘恢復(fù)電路。
PMD：Physical Medium Dependent，物理介質(zhì)相關(guān)子層，PMD子層位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最底層，主要完成光纖連接、電/光轉(zhuǎn)換等功能。PMD為電/光收發(fā)器，把輸入的電壓變化狀態(tài)變?yōu)楣獠ɑ蚬饷}沖，以便能在光纖中傳輸。
AN: Auto-Negotiation Function，自動(dòng)協(xié)商，使背板兩側(cè)的Device能夠互換信息以發(fā)揮出彼此最大的優(yōu)勢(shì)；
其中主要的常用的模塊是PCS、PMA、PMD。在各種PHY芯片內(nèi)部基本都有這幾個(gè)模塊。
PHY的功能之一:與MAC通過MII接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼 MAC器件通過MII接口來與PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對(duì)PHY來說，沒有幀的概念，對(duì)它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯(cuò)碼（PCS），然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)（PMA），再按照物理層的編碼規(guī)則把數(shù)據(jù)編碼（PMA），再變?yōu)槟M信號(hào)把數(shù)據(jù)送出去（PMD）。 當(dāng)PHY接收數(shù)據(jù)時(shí)的流程反之。
PHY還有個(gè)重要的功能就是實(shí)現(xiàn)CSMA/CD的部分功能。它可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中就等待，一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑，再等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后將送數(shù)據(jù)出去。如果兩塊網(wǎng)卡碰巧同時(shí)送出了數(shù)據(jù)，那樣必將造成沖突，這時(shí)候，沖突檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以檢測(cè)到?jīng)_突，然后各等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
參考資料：
Network 之二 Ethernet（以太網(wǎng)）中的 MAC、MII、PHY 詳解_itexp-CSDN博客_mac
MII/GMII/RGMII知識(shí)學(xué)習(xí)。- 知乎
各種MII詳解(MII,GMII,RGMII,RMII,SMII,SSMII,TBI,RTBI) - 百度文庫
了解與MDIO/MDC接口相關(guān)的22號(hào)、45號(hào)條款_jason的專欄-CSDN博客_mdio接口協(xié)議
PHY——內(nèi)部接口協(xié)議
MAC和PHY基本組成與工作原理簡(jiǎn)析_Clearfix_Xia-CSDN博客_phy芯片工作原理。
