MAC和PHY的工作原理
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MAC和PHY的工作原理
高端服务器研发部 系统硬件研发处
2
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
3
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。
10
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
8
收发FIFO，一般是16×8bit 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。
9
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 。
13
PHY芯片工作示意图
MII发送接口
4B/5B 变换 并/串转换
MII接收接口
5B/4B变换
PCS
串/并转换
NRZI信号转化
NRZI信号转化
PMA
Link状态和载波侦听
scrambling(扰频)
MLT-3 编码
descrambling（解扰）
PMD
MLT-3 解码
双绞线
双绞线
14
MDIຫໍສະໝຸດ Baidu/MDC的功能
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。
4
网卡的构成
SYSTEM CPU/PCH
PCIE/PCI
网卡 MAC芯片
MII
OSI 数据链路层
PHY芯片
物理层
接口
5
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（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
17
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16±8ms。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。
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
11
PHY的工作原理
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。
10M的MII的时钟是2.5M，100M的MII的时钟是25M
12
100M PHY的主要模块
PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：提供4B/5B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。
16
它的工作原理是: 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
所谓多路访问（Multiple Access），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。
15
以太网的工作的机制——CSMA/CD
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ，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（Carrier Sense），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。
6
MAC芯片的工作原理
MAC芯片模块示意图
7
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的MAC协议，包括数据成帧，帧 数据收发，以及出错时重发等等。
自动协商 的优先级
18
19
时 钟
数 据 0
时 钟
数 据 1
……
时 钟
数 据 14
时 钟
数 据 15
时 钟
整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成
20
自协商基本页信息
21
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16±8ms 发送一个脉冲，IDLE就是全 “1”信号.
高端服务器研发部 系统硬件研发处
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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
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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。
10
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
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收发FIFO，一般是16×8bit 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。
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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 。
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PHY芯片工作示意图
MII发送接口
4B/5B 变换 并/串转换
MII接收接口
5B/4B变换
PCS
串/并转换
NRZI信号转化
NRZI信号转化
PMA
Link状态和载波侦听
scrambling(扰频)
MLT-3 编码
descrambling（解扰）
PMD
MLT-3 解码
双绞线
双绞线
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MDIຫໍສະໝຸດ Baidu/MDC的功能
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。
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网卡的构成
SYSTEM CPU/PCH
PCIE/PCI
网卡 MAC芯片
MII
OSI 数据链路层
PHY芯片
物理层
接口
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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（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
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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16±8ms。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。
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
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PHY的工作原理
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。
10M的MII的时钟是2.5M，100M的MII的时钟是25M
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100M PHY的主要模块
PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：提供4B/5B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。
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它的工作原理是: 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
所谓多路访问（Multiple Access），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。
15
以太网的工作的机制——CSMA/CD
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ，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（Carrier Sense），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。
6
MAC芯片的工作原理
MAC芯片模块示意图
7
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的MAC协议，包括数据成帧，帧 数据收发，以及出错时重发等等。
自动协商 的优先级
18
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时 钟
数 据 0
时 钟
数 据 1
……
时 钟
数 据 14
时 钟
数 据 15
时 钟
整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成
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自协商基本页信息
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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16±8ms 发送一个脉冲，IDLE就是全 “1”信号.