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PYH与MAC的桥梁MII/MIIM

news 来源：原创 2025/5/19 16:03:54

在学习车载互联网时，看到了一句话，Processor通过DMA直接存储访问与MAC之间进行数据的交互，MAC通过MII介质无关接口与PHY之间进行数据的交互。常见的以太网硬件结构是，将MAC集成进Processor芯片，将PHY留在Processor片外，做成单独的收发器芯片。但是他并没有讲解MII使用的具体流程。本篇博客将聚焦MII与MIIM讲述PYH与MAC以及MAC与Processor是如何进行信息传递的。

在开始之前我们先简单介绍一下这些是什么。Processor也就是处理器，也就是MCU微控制器,SOC/CPU,域控制前。他是执行数据处理和协议栈的软件/硬件模块。其主要作用是：1.协议处理2.应用逻辑处理3.通信协调。PHY也就是我们常说的OSI七层模型中的物理层，在OBD连接，也就是车身诊断系统中，他与外部通过100BaseTX(2对非屏蔽双绞线)连接，而内部通常采用100BaseT1(1对非屏蔽双绞线))或者1000BaseT1相连接。通常CAN/LIN走的就是这些线路。在发送数据时，PHY接收从MAC过来的数据，将并行的数据转化为串行流数据，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发出去。接收数据时的流程则相反。那么PHY是如何接收MAC传递来的数据呢？

MAC是物理链路层的一部分，负责以太网帧的生成/解析与差错校验。MAC通过MII接口与PYH层进行数据交互，通过MIIM对PHY进行管理。PHY通过MDI接口发送模拟信号。

MII(Media Independent Interfaces)是MAC与PHY之间的标准接口,支持数据的收发和接受。

MIIM（Management Data I/O Interface）也称为MDIO/MDC。MDC（Management Data Clock）和 MDIO（Management Data Input/Output）是两个独立的信号线，它们共同组成 MDIO 接口（MIIM，Management Interface）。MDC是 MDIO 管理接口的时钟信号，由 MAC 端主动产生，用于控制 MDIO（Management Data Input/Output） 数据的传输时序。MDIO管理数据线，用于 MAC 读写 PHY 寄存器.他们共同负责对PHY芯片寄存器进行读写，管理配置，设置工作模式，监控PHY等操作。

MDI: MII 是 MAC 层和 PHY 层之间的接口，主要用于 逻辑信号的交互，以并行数字信号形式传输数据。而 MDI 是 PHY 层与物理介质（如双绞线或光纤）之间的接口，主要用于 模拟信号的传输。由于讨论的重点是 从 MAC 到 PHY 的信号转换和编码 ，MDI 只在最终物理信号传输时使用。

解析 MDIO/MDC 接口管理帧格式

MDIO 传输数据的格式由多个字段组成，每个字段有特定的作用：

PRE（预同步字段）：
- 由多个连续的 1 组成（通常是 32 个 1）。
- 主要用于同步时钟信号，确保 MDIO 和 PHY 设备可以正确通信。
ST（起始字段，Start of Frame）：
- 固定值 01，用于标志帧的开始，告诉 PHY 一次新的传输即将开始。
OP（操作码，Operation Code）：
- 用于区分本次传输是 读取（READ，10） 还是 写入（WRITE，01）。
PHYAD（PHY 地址，5 位）：
- 该字段用于指定要访问的 PHY 设备地址，支持最多 32 个不同的 PHY（0~31）。
REGAD（寄存器地址，5 位）：
- 指定 PHY 内部的寄存器地址，最多支持 32 个寄存器。
TA（转接字段，Turnaround）：
- 数据方向切换字段，用于协调主机（MAC）和从机（PHY）之间的数据传输：
  - 写操作时，由主机（MAC）驱动，总是 10。
  - 读操作时，由从机（PHY）驱动，值是 Z0（其中 Z 表示高阻态，PHY 释放总线）。
DATA（数据字段，16 位）：
- 主要用于存储数据：
  - 写操作：主机发送的数据，写入 PHY 指定寄存器。
  - 读操作：从 PHY 读取的数据。
IDLE（空闲字段）：
- 当总线空闲时，MDIO 线进入 高阻态（Z），表示当前无数据传输。

MDIO 接口的读写操作流程如下：读取操作（READ，操作码 10） 由主机发送帧的前半部分（包括 PHY 地址和寄存器地址），然后 PHY 在 TA 阶段接管总线并返回 16 位数据，主机读取数据完成操作。写入操作（WRITE，操作码 01） 由主机发送完整帧（包括 PHY 地址、寄存器地址和 16 位数据），PHY 在接收到数据后将其写入指定寄存器。

MII 的具体使用流程

MII 主要用于 数据发送 和 数据接收 两个过程，每个过程都由多个信号线协同工作。

1. MII 发送流程（MAC → PHY）

当 MAC 层有数据需要通过 PHY 发送出去时，它会按照以下流程操作：

MAC 准备数据
- MAC 层按照以太网帧格式组织数据，并将其拆分为 4 位宽度（TXD[3:0]）的数据块（10/100Mbps 以太网使用 MII，千兆以太网使用 GMII/SGMII）。
发送数据和控制信号
- MAC 层通过 MII 接口的 TXD[3:0] 数据总线逐个发送数据块。
- TX_EN（Transmit Enable）：当有有效数据时，MAC 层拉高该信号，指示 PHY 接收数据。
- TX_ER（Transmit Error）：用于标记传输错误。
- TX_CLK（Transmit Clock）：PHY 生成的时钟信号，MAC 层在时钟的上升沿发送数据。
PHY 编码数据并发送
- PHY 层接收 TXD[3:0] 传输的数据，并将其转换为物理层的信号（如 MLT-3 编码、NRZ 编码）。
- 最终 PHY 将数据发送到 MDI 端口（Medium Dependent Interface），再传输到物理网络介质（如双绞线）。

2. MII 接收流程（PHY → MAC）

当 PHY 接收到来自网络的以太网数据时，它会按照以下流程传递给 MAC 层：

PHY 解析物理信号
- PHY 层从 MDI 接口接收模拟信号，并解码成数字信号（例如 Manchester 编码 → 二进制数据）。
发送数据到 MAC
- PHY 层通过 RXD[3:0] 数据总线逐步将数据发送给 MAC 层。
- RX_DV（Receive Data Valid）：当 PHY 发送有效数据时，拉高此信号。
- RX_ER（Receive Error）：如果 PHY 检测到错误（如 CRC 校验失败），则拉高该信号。
- RX_CLK（Receive Clock）：PHY 生成的接收时钟信号，MAC 在时钟的上升沿采样数据。
MAC 处理数据
- MAC 层从 RXD[3:0] 获取数据，并将其重新拼接成完整的以太网帧进行处理。

TXD[3:0] 是 MII（Media Independent Interface） 中的 发送数据总线，用于在 MAC 层和 PHY 层之间传输数据。

同时我们也注意到MAC与Processor通过DMA进行信息传递。那么

什么是 DMA？

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） 是一种计算机系统中的数据传输机制，允许 外设（如网卡、硬盘、显卡等）直接与内存交换数据，而不需要 CPU 进行数据搬运。这大大提高了数据传输效率，减少了 CPU 的负担，使其可以专注于计算任务。

DMA 的工作原理

通常，数据传输可以分为以下几种方式：

程序控制方式（CPU 控制）
- CPU 负责从内存读取数据，然后再写入外设，或者从外设读取数据再写入内存。
- 缺点：CPU 需要全程参与数据搬运，占用大量计算资源，影响系统性能。
中断驱动方式
- 设备通过中断请求 CPU 进行数据传输，CPU 响应后执行数据搬运操作。
- 缺点：虽然减少了一些 CPU 轮询的开销，但 CPU 仍然需要执行数据搬运，影响效率。
DMA（直接内存访问）方式（最优方式）
- DMA 控制器（DMAC）接管数据传输，允许数据直接在 内存和外设（如 MAC 网卡） 之间传输，而不经过 CPU。
- CPU 仅需要发起 DMA 传输请求，剩下的传输过程由 DMA 控制器完成。
- 优点：
  - 释放 CPU 资源，让 CPU 可以处理其他任务。
  - 提高数据传输效率，尤其是大块数据传输时效果明显。

解析 MDIO/MDC 接口管理帧格式

MII 的具体使用流程

1. MII 发送流程（MAC → PHY）

2. MII 接收流程（PHY → MAC）

DMA 的工作原理

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