1.1 嵌入式網絡簡介

1.1.1 嵌入式下的網絡硬件接口

提起網絡，我們一般想到的硬件就是“網卡”，現在網卡已經是通過一個芯片來完成了，嵌入式網絡硬件分為兩部分：MAC和PHY，大家都是通過看數據手冊來判斷一款SOC是否支持網絡，如果一款芯片數據手冊說自己支持網絡，一般都是說的這款SOC內置MAC，MAC類似I2C控制器、SPI控制器一樣的外設。

但是光有MAC還不能直接驅動網絡，還需要另外一個芯片：PHY，因此對于內置MAC的SOC，其外部必須搭配一個PHY芯片。內部沒有MAC的SOC芯片，就需要使用外置的MAC+PHY一體芯片了，這里就要牽扯出常見的兩個嵌入式網絡硬件方案了。

1.SOC內部沒有網絡MAC外設

對于內部沒有MAC的SOC芯片，可以使用外置 MAC+PHY一體的網絡芯片來實現網絡功能。比如三星linux開發板里面用的最多的DM9000，DM9000對SOC提供了一個SRAM接口，SOC會以SRAM的方式操作DM9000。

有些外置的網絡芯片更強大，內部甚至集成了硬件TCP/IP協議棧，對外提供一個SPI接口，比如W5500。這個一般用于單片機領域，單片機通過SPI接口與W5500進行通信，由于W5500內置了硬件TCP/IP協議棧，因此單片機就不需要移植軟件協議棧，直接通過SPI來操作W5500，簡化了單片機聯網方案。

這種方案的優點就是讓不支持網絡的SOC能夠另辟蹊徑，實現網絡功能，但是缺點就是網絡效率不高，因為一般芯片內置的MAC會有網絡加速引擎，比如網絡專用DMA，網絡處理效率會很高。而且此類芯片網速都不快，基本就是10/100M。另外，相比PHY芯片而言，此類芯片的成本也比較高，可選擇比較少。

SOC與外部MAC+PHY芯片的連接如圖1-1所示：

圖1-1 主控SOC與外置MAC+PHY芯片連接

2.SOC內部集成網絡MAC外設

我們一般說某個SOC支持網絡，說的就是他內部集成網絡MAC外設，此時我們還需要外接一個網絡PHY芯片。。

目前幾乎所有支持網絡的SOC都是內置MAC外設，比如STM32F4/F7/H7系列、NXP的I.MX系列，內部集成網絡MAC的優點如下：

1）內部MAC外設會有專用的加速模塊，比如專用的DMA，加速網速數據的處理。

2）網速快，可以支持10/100/1000M網速。

3）外接PHY可選擇性多，成本低。

內部的MAC外設會通過MII或者RMII接口來連接外部的PHY芯片，MII/RMII接口用來傳輸網絡數據。另外主控需要配置或讀取PHY芯片，也就是讀寫PHY的內部寄存器，所以還需要一個控制接口，叫做MIDO，MDIO很類似IIC，也是兩根線，一根數據線叫做MDIO，一根時鐘線叫做MDC。

SOC內部MAC外設與外部PHY芯片的連接如圖1-2所示：

圖1-2 內部MAC與外部PHY之間的連接

大家在做項目的時候，如果要用到網絡功能，強烈建議大家選擇內部帶有網絡MAC外設的主控SOC！I.MX6ULL就有兩個10M/100M的網絡MAC外設，正點原子ALPHA開發板板載了兩顆PHY芯片，型號為LAN8720。因此，本章節只講解SOC內部MAC+外置PHY芯片這種方案。

1.1.2 MII/RMII接口

前面我們說了，內部MAC通過MII/RMII接口來與外部的PHY芯片連接，完成網絡數據傳輸，本節我們就來學習一下什么是MII和RMII接口。

1.MII接口

MII全稱是Media Independent Interface，直譯過來就是介質獨立接口，它是IEEE-802.3定義的以太網標準接口，MII接口用于以太網MAC連接PHY芯片，連接示意圖如圖1-3所示：

圖1-3 MII接口

MII接口一共有16根信號線，含義如下：

TX_CLK：發送時鐘，如果網速為100M的話時鐘頻率為25MHz，10M網速的話時鐘頻率為2.5MHz，此時鐘由PHY產生并發送給MAC。

TX_EN：發送使能信號。

TX_ER：發送錯誤信號，高電平有效，表示TX_ER有效期內傳輸的數據無效。10Mpbs網速下TX_ER不起作用。

TXD[3:0]：發送數據信號線，一共4根。

RXD[3:0]：接收數據信號線，一共4根。

RX_CLK：接收時鐘信號，如果網速為100M的話時鐘頻率為25MHz，10M網速的話時鐘頻率為2.5MHz，RX_CLK也是由PHY產生的。

RX_ER：接收錯誤信號，高電平有效，表示RX_ER有效期內傳輸的數據無效。10Mpbs網速下RX_ER不起作用。

RX_DV：接收數據有效，作用類似TX_EN。

CRS：載波偵聽信號。

COL：沖突檢測信號。

MII接口的缺點就是所需信號線太多，這還沒有算MDIO和MDC這兩根管理接口的數據線，因此MII接口使用已經越來越少了。

2.RMII接口

RMII全稱是Reduced Media Independent Interface，翻譯過來就是精簡的介質獨立接口，也就是MII接口的精簡版本。RMII接口只需要7根數據線，相比MII直接減少了9根，極大的方便了板子布線，RMII接口連接PHY芯片的示意圖如圖1-4所示：

圖1-4 RMII接口

TX_EN：發送使能信號。

TXD[1:0]：發送數據信號線，一共2根。

RXD[1:0]：接收數據信號線，一共2根。

CRS_DV：相當于MII接口中的RX_DV和CRS這兩個信號的混合。

REF_CLK：參考時鐘，由外部時鐘源提供， 頻率為50MHz。這里與MII不同，MII的接收和發送時鐘是獨立分開的，而且都是由PHY芯片提供的。

除了MII和RMII以外，還有其他接口，比如GMII、RGMII、SMII、SMII等，關于其他接口基本都是大同小異的，這里就不做講解了。正點原子ALPAH開發板上的兩個網口都是采用RMII接口來連接MAC與外部PHY芯片。

1.1.3 MDIO接口

MDIO全稱是Management Data Input/Output，直譯過來就是管理數據輸入輸出接口，是一個簡單的兩線串行接口，一根MDIO數據線，一根MDC時鐘線。驅動程序可以通過MDIO和MDC這兩根線訪問PHY芯片的任意一個寄存器。MDIO接口支持多達32個PHY。同一時刻內只能對一個PHY進行操作，那么如何區分這32個PHY芯片呢？和IIC一樣，使用

器件地址即可。同一MDIO接口下的所有PHY芯片，其器件地址不能沖突，必須保證唯一，具體器件地址值要查閱相應的PHY數據手冊。

因此，MAC和外部PHY芯片進行連接的時候主要是MII/RMII和MDIO接口，另外可能還需要復位、中斷等其他引腳。

1.1.4 RJ45接口

網絡設備是通過網線連接起來的，插入網線的叫做RJ45座，如圖1-5所示：

圖1-5 RJ45座子

RJ45座要與PHY芯片連接在一起，但是中間需要一個網絡變壓器，網絡變壓器用于隔離以及濾波等，網絡變壓器也是一個芯片，外形一般如圖1-6所示：

圖1-6 網絡變壓器

但是現在很多RJ45座子內部已經集成了網絡變壓器，比如最常用的HR911105A就是內置網絡變壓器的RJ45座。內置網絡變壓器的RJ45座和不內置的引腳一樣，但是一般不內置的RJ45座會短一點。

因此，大家在畫板的時候一定要考慮你所使用的RJ45座是否內置網絡變壓器，如果不內置的話就要自行添加網絡變壓器部分電路！同理，如果你所設計的硬件是需要內置網絡變壓器的RJ45座，肯定不能隨便焊接一個不內置變壓器的RJ45座，否則網絡工作不正常！

RJ45座子上一般有兩個燈，一個黃色(橙色)，一個綠色，綠色亮的話表示網絡連接正常，黃色閃爍的話說明當前正在進行網絡通信。這兩個燈由PHY芯片控制，PHY芯片會有兩個引腳來連接RJ45座上的這兩個燈。內部MAC+外部PHY+RJ45座(內置網絡變壓器)就組成了一個完整的嵌入式網絡接口硬件，如圖1-7所示：

圖1-7 嵌入式網絡硬件接口示意圖

1.1.5 PHY芯片基礎知識

PHY是IEEE 802.3規定的一個標準模塊，前面說了，SOC可以對PHY進行配置或者讀取PHY相關狀態，這個就需要PHY內部寄存器去實現。PHY芯片寄存器地址空間為5位，地址 031共32個寄存器，IEEE定義了015這16個寄存器的功能，16~31這16個寄存器由廠商自行實現。

也就是說不管你用的哪個廠家的PHY芯片，其中0~15這16個寄存器是一模一樣的。僅靠這16個寄存器是完全可以驅動起PHY芯片的，至少能保證基本的網絡數據通信，因此Linux內核有通用PHY驅動，按道理來講，不管你使用的哪個廠家的PHY芯片，都可以使用Linux的這個通用PHY驅動來驗證網絡工作是否正常。

事實上在實際開發中可能會遇到一些其他的問題導致Linux內核的通用PHY驅動工作不正常，這個時候就需要驅動開發人員去調試了。但是，隨著現在的PHY芯片性能越來越強大，32個寄存器可能滿足不了廠商的需求，因此很多廠商采用分頁技術來擴展寄存器地址空間，以求定義更多的寄存器。

這些多出來的寄存器可以用于實現廠商特有的一些技術，因此Linux內核的通用PHY驅動就無法驅動這些特色功能了，這個時候就需要PHY廠商提供相應的驅動源碼了，所以大家也會在Linux內核里面看到很多具體的PHY芯片驅動源碼。

不管你的PHY芯片有多少特色功能，按道理來講，Linux內核的通用PHY驅動是絕對可以讓你這PHY芯片實現基本的網絡通信，因此大家也不用擔心更換PHY芯片以后網絡驅動編寫是不是會很復雜。

IEEE802.3協議英文原版中的 “22.2.4 Management functions”章節，此章節對PHY的前16個寄存器功能進行了規定，如圖1-8所示：

圖1-8 IEEE規定的前16個寄存器

關于這16個寄存器的內容協議里面也進行了詳細的講解，這里就不分析了。大家可以找個具體的PHY芯片數據手冊對比看一下，比如百M網絡最常用的LAN8720A這個PHY，大家可以看一下LAN8720前面幾個寄存器結構是否和圖1-8中的一樣。

關于嵌入式Linux的網絡接口設計就講到這里。