原创 MII分类及MAC控制MII流程概括

        以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术，该技术基于IEEE制定的IEEE 802.3标准，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。　　
        以太网是当前应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、FDDI和ARCNET。　　
        历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。　　
        基于以太网的应用一定时期内是研究开发热点。 　
        ETHERNET的接口实质是MAC通过MII总线控制PHY的过程。 　　
        MAC是Media Access Control 的缩写，即媒体访问控制子层协议。　　
        该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。　　
        在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层。　　
        在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。　　
        以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。 　　
        MII，Media Independent Interface，即媒体独立接口。　　
      “媒体独立”表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。　　
        MII数据接口总共需要16个信号，包括TX_ER，TXD<3:0>，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD<3:0>，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV等。　　
        MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。 　　
        MII管理接口是个双信号接口，一个是时钟信号，另一个是数据信号。　　
        通过管理接口，上层能监视和控制PHY，其管理是使用SMI（Serial Management Interface）总线通过读写PHY的寄存器来完成的。　　
        PHY里面的部分寄存器是IEEE定义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里面，MAC通过SMI总线不断的读取PHY的状态寄存器以得知目前PHY的状态，例如连接速度，双工的能力等。　　
       当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的，例如流控的打开关闭，自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的MII总线和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有IEEE的规范的，因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。 　　
        PHY是物理接口收发器，它实现物理层。　　
        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。 　
        100BaseTX采用4B/5B编码。 　　
         PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。　　
         收数据时的流程反之。 　　
         PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。　　
        它可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两个碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突，这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。 　　
        通信速率通过双方协商，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式，这个技术被称为Auto Negotiation或者NWAY。 　
       隔离变压器把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。 　　
        RJ-45中1、2是传送数据的，3、6是接收数据的。　　
        新的PHY支持AUTO MDI-X功能，也需要隔离变压器支持，它可以实现RJ-45接口的1、2上的传送信号线和3、6上的接收信号线的功能自动互相交换。

百兆以太网MII接口类型
         MII是Medium Independent Interface的缩写，中文意思是“介质独立接口”，该接口一般应用于以太网硬件平台的MAC层和PHY层之间，MII接口的类型有很多，常用的有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等。
        本文只介绍百兆以太网的MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII五种接口，其它千兆、万兆以太网接口另行介绍。 MII接口(下图)： 
 
TXD[3:0]：数据发送信号，共4根信号线；
RXD[3:0]：数据接收信号，共4根信号线；
TX_ER(Transmit Error)： 发送数据错误提示信号，同步于TX_CLK，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，TX_ER不起作用；
RX_ER(Receive Error)： 接收数据错误提示信号，同步于RX_CLK，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，RX_ER不起作用；
TX_EN(Transmit Enable)： 发送使能信号，只有在TX_EN有效期内传的数据才有效；
RX_DV(Reveive Data Valid)： 接收数据有效信号，作用类型于发送通道的TX_EN；
TX_CLK：发送参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。注意，TX_CLK时钟的方向是从PHY侧指向MAC侧的，因为此时钟是由PHY提供的。
RX_CLK：接收数据参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。RX_CLK也是由PHY侧提供的。
CRS：Carrier Sense，载波侦测信号，不需要同步于参考时钟，只要有数据传输，CRS就有效，另外，CRS只在半双工模式下有效；
COL：Collision Detectd，冲突检测信号，不需要同步于参考时钟，只在半双工模式下有效。 MII接口一共有16根线(TX_CLK, RX_CLK未记入)。

RMII接口(下图)：
RMII即Reduced MII，是MII的简化版，信号线数量由MII的14根减少为7根(CLK_REF为外部时钟源)。
TXD[1:0]：数据发送信号线，数据位宽为2，是MII接口的一半；
RXD[1:0]：数据接收信号线，数据位宽为2，是MII接口的一半；
TX_EN(Transmit Enable)：数据发送使能信号，与MII接口中的该信号线功能一样；
RX_ER(Receive Error)：数据接收错误提示信号，与MII接口中的该信号线功能一样；
CLK_REF：是由外部时钟源提供的50MHz参考时钟，收发共用，与MII接口不同(MII接口中的接收时钟和发送时钟是分开的，而且都是由PHY芯片提供给MAC芯片的)。
这里需要注意的是，由于数据接收时钟是由外部晶振提供而不是由载波信号提取，所以在PHY层芯片内的数据接收部分需要设计一个FIFO，用来协调两个不同的时钟。
CRS_DV：此信号是由MII接口中的RX_DV和CRS两个信号合并而成。当介质不空闲时，CRS_DV和RE_CLK相异步的方式给出。当CRS比RX_DV早结束时(即载波消失而队列中还有数据要传输时)，就会出现CRS_DV在半位元组的边界25MHz/2.5MHz的频率在0、1之间的来回切换。因此，MAC能够从CRS_DV中精确的恢复出RX_DV和CRS。在100Mbps速率时，TX/RX每个时钟周期采样一个数据；
在10Mbps速率时，TX/RX每隔10个周期采样一个数据，因而TX/RX数据需要在数据线上保留10个周期，相当于一个数据发送10次。当PHY层芯片收到有效的载波信号后，CRS_DV信号变为有效，此时如果FIFO中还没有数据，则它会发送出全0的数据给MAC，然后当FIFO中填入有效的数据帧，数据帧的开头是“101010---”交叉的前导码，当数据中出现“01”的比特时，代表正式数据传输开始，MAC芯片检测到这一变化，从而开始接收数据。当外部载波信号消失后，CRS_DV会变为无效，但如果FIFO中还有数据要发送时，CRS_DV在下一周期又会变为有效，然后再无效再有效，知道FIFO中数据发送完为止。

SMII接口(下图)： SMII即Serial MII，串行MII的意思，跟RMII相比，信号线数据进一步减少到3根；
TXD：发送数据信号，位宽为1； RXD：接收数据信号，位宽为1；
SYNC：收发数据同步信号，每10个时钟周期置1次高电平，指示同步。
CLK_REF：所有端口共用的一个参考时钟，频率为125MHz，为什么100Mbps速率要用125MHz时钟？因为在每8位数据中会插入2位控制信号，请看下面介绍。 TXD/RXD以10比特为一组，以SYNC为高电平来指示一组数据的开始，在SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD上依次输出的数据是：TXD[7:0]、TX_EN、TX_ER，控制信号的含义与MII接口中的相同；RXD上依次输出的数据是：RXD[7:0]、RX_DV、CRS，RXD[7:0]的含义与RX_DV有关，当RX_DV为有效时(高电平)，RXD[7:0]上传输的是物理层接收的数据。当RX_DV为无效时(低电平)，RXD[7:0]上传输的是物理层的状态信息数据。见下表： 当速率为10Mbps时，每一组数据要重复10次，MAC/PHY芯片每10个周期采样一次。MAC/PHY芯片在接收到数据后会进行串/并转换。

SSMII接口(见下图)：
SSMII即Serial Sync MII，叫串行同步接口，跟SMII接口很类似，只是收发使用独立的参考时钟和同步时钟，不再像SMII那样收发共用参考时钟和同步时钟，传输距离比SMII更远。

SSSMII接口(见下图)： SSSMII即Source Sync Serial MII，叫源同步串行MII接口，SSSMII与SSMII的区别在于参考时钟和同步时钟的方向，SSMII的TX/RX参考时钟和同步时钟都是由PHY芯片提供的，而SSSMII的TX参考时钟和同步时钟是由MAC芯片提供的，RX参考时钟和同步时钟是由PHY芯片提供的，所以顾名思义叫源同步串行。千兆以太网MII接口类型主要有GMII、RGMII、SGMII、TBI和RTBI 五种。

GMII接(如下图)： 与MII接口相比，GMII的TX/RX数据宽度由4位变为8位，GMII接口中的控制信号如TX_ER、TX_EN、RX_ER、RX_DV、CRS和COL的作用同MII接口中的一样，发送参考时钟GTX_CLK和接收参考时钟RX_CLK的频率均为125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。在这里有一点需要特别说明下，那就是发送参考时钟GTX_CLK，它和MII接口中的TX_CLK是不同的，MII接口中的TX_CLK是由PHY芯片提供给MAC芯片的，而GMII接口中的GTX_CLK是由MAC芯片提供给PHY芯片的。两者方向不一样。在实际应用中，绝大多数GMII接口都是兼容MII接口的，所以，一般的GMII接口都有两个发送参考时钟：TX_CLK和GTX_CLK(两者的方向是不一样的，前面已经说过了)，在用作MII模式时，使用TX_CLK和8根数据线中的4根。 RGMII接口(如下图所示)：

RGMII即Reduced GMII，是RGMII的简化版本，将接口信号线数量从24根减少到14根(COL/CRS端口状态指示信号，这里没有画出)，时钟频率仍旧为125MHz，TX/RX数据宽度从8为变为4位，为了保持1000Mbps的传输速率不变，RGMII接口在时钟的上升沿和下降沿都采样数据。在参考时钟的上升沿发送GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在参考时钟的下降沿发送GMII接口中的TXD[7:4]/RXD[7:4]。RGMI同时也兼容100Mbps和10Mbps两种速率，此时参考时钟速率分别为25MHz和2.5MHz。 TX_EN信号线上传送TX_EN和TX_ER两种信息，在TX_CLK的上升沿发送TX_EN，下降沿发送TX_ER；同样的，RX_DV信号线上也传送RX_DV和RX_ER两种信息，在RX_CLK的上升沿发送RX_DV，下降沿发送RX_ER。RGMII的收发时序如下图所示(点击看大图)：

SGMII接口(如下图所示)： SGMII即Serial GMII，串行GMII，收发各一对差分信号线，时钟频率625MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿均采样，参考时钟RX_CLK由PHY提供，是可选的，主要用于MAC侧没有时钟的情况，一般情况下，RX_CLK不使用。收发都可以从数据中恢复出时钟。在TXD发送的串行数据中，每8比特数据会插入TX_EN/TX_ER 两比特控制信息，同样，在RXD接收数据中，每8比特数据会插入RX_DV/RX_ER 两比特控制信息，所以总的数据速率为1.25Gbps=625Mbps*2. 其实，大多数MAC芯片的SGMII接口都可以配置成SerDes接口(在物理上完全兼容，只需配置寄存器即可)，直接外接光模块，而不需要PHY层芯片，此时时钟速率仍旧是625MHz，不过此时跟SGMII接口不同，SGMII接口速率被提高到1.25Gbps是因为插入了控制信息，而SerDes端口速率被提高是因为进行了8B/10B变换，本来8B/10B变换是PHY芯片的工作，在SerDes接口中，因为外面不接PHY芯片，此时8B/10B变换在MAC芯片中完成了。8B/10B变换的主要作用是扰码，让信号中不出现过长的连“0”和连“1”情况，影响时钟信息的提取，关于8B/10B变换知识，我后续会单独介绍。 TBI接口(如下图所示)： TBI即Ten Bit Interface的意思，接口数据位宽由GMII接口的8位增加到10位，其实，TBI接口跟GMII接口的差别不是很大，多出来的2位数据主要是因为在TBI接口下，MAC芯片在将数据发给PHY芯片之前进行了8B/10B变换(8B/10B变换本是在PHY芯片中完成的，前面已经说过了)，另外，RX_CLK+/-是从接收数据中恢复出来的半频时钟，频率为62.5MHz，RX_CLK+/-不是差分信号，而是两个独立的信号，两者之间有180度的相位差，在这两个时钟的上升沿都采样数据。RX_CLK+/-也叫伪差分信号。除掉上面说到的之外，剩下的信号都跟GMII接口中的相同。大多数芯片的TBI接口和GMII接口兼容。在用作TBI接口时，CRS和COL一般不用。 RTBI接口(如下图所示)： RTBI即Reduced TBI，简化版TBI，接口数据位宽为5bit，时钟频率为125MHz，在时钟的上升沿和下降沿都采样数据，同RGMII接口一样，TX_EN线上会传送TX_EN和TX_ER两种信息，在时钟的上升沿传TX_EN，下降沿传TX_ER；RX_DV线上传送RX_DV和RX_ER两种信息，在RX_CLK上升沿传RX_DV，下降沿传RX_ER。