一 初识以太网电路

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由 MAC（Media Access Control）控制器和物理层接口 PHY（Physical Layer）两大部分构成，一般一个嵌入式终端系统的以太网硬件抽象 如下：

1 网线 它按通信速度分类。
2 RJ-45 以太网连接器。
3 脉冲变压器 它可以防止电流从外部直接流入并保护设备内部的电路。
关于 脉冲变压器

当我们的PHY芯片发送数据，接受到MAC层发送过来的数字信号，然后转换成模拟信号，通过MDI接口传输出去。但是我们的网线传输的距离又很长，有时候需要送到100米甚至更远的地址，那么就会导致信号的流失。而且外网线与芯片直接相连的话，电磁感应和静电，也很容易导致芯片的损坏，所以就要使用网络变压器，其主要作用是

3.1 传输数据,它把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不同电平的连接网线的另外一端

3.2 隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平,以防止不同电压通过网线传输损坏设备

3.3 还能使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用，保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏（如雷击）

4 物理层PHY：真正用于传输数据(数/模信号转换)
发送 ：将MAC下发的数字信号转换为模拟信号发送出去
接收 ： 将外部的模拟信号转换为数组信号 上传给MAC

5 太网控制器 MAC：只要用于控制与对方通信（通信控制）

主要有MAC控制器、PHY芯片、网络变压器和RJ45接头组成，有的系统会有DMA控制。一般的系统中CPU和MAC以及DMA控制器都是集成在一块芯片上的，为了节省空间简化设计，很多时候网口的变压器和RJ45的接头集成在一起。

在实际的设计中，由于PHY 整合了大量模拟硬件，而 MAC 则是典型的全数字器件。考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，通常，将 MAC 集成进微控制器而将 PHY 留在片外。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现 MAC 和 PHY 的单芯片整合。总的来说，可分为下列几种类型：

CPU 集成 MAC 与 PHY，目前来说并不多见。

CPU 集成 MAC，PHY 采用独立芯片，这种比较常见。

CPU 不集成 MAC 与 PHY，MAC 与 PHY 采用集成芯片（形成一个独立的网卡），这种也比较常见。

所以网卡：可以理解成phy 和mac 组成的一个芯片，直接可以通过各种接口和cpu对接

二 MAC控制器

太网控制器，作用是数据控制。

EMAC即百兆网卡，GMAC即千兆网卡，属于数据链路层。MAC和PHY之间直接通过MII接口进行通信。一个MAC可以同时管理多个PHY的行为。

GMAC主要四个功能：帧发送、帧接收、GMAC控制、媒体独立接口管理（GMII）。

帧发送：
接收上层协议传来的数据，加头尾（控制信息），组成以太网帧，以位数据流形式传到物理层PHY。

帧接收：
接收物理层PHY位数据流，检查是否有效（目的IP,校验码，字节对齐），发送给上层协议，或丢弃。

GMAC控制：
用于全双工模式下控制帧的生成、检测，它处在主机和发送、接收模块之间，对普通的数据帧来说是透明的。

媒体独立接口管理（GMII）
控制物理层PHY的输入输出操作，检查物理层的状态信息。（控制PHY）

三 PHY

用于真正的收发数据。属于物理层。

RJ45网线传输的是特殊编码的差分模拟信号，而计算机等电子设备是不支持这种信号的直接输入的。比如发送数据时，MAC主要处理的数字信号，而 PHY芯片就是负责把MAC的数字信号进行编码，串行化等操作后，转化为模拟信号进行发送。它只是做信号的转换，而不对数字信号进行任何的处理，即使一帧有问题的数据，它也会如实的转发出去。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。

PHY 有一个重要的功能就是 自协商。 什么是自协商？ 就是PHY一旦连入网络，PHY 会和它相连接的端口的PHY进行协商，当前通信使用的速率是 1000M， 100M 还是10M？ 他们相互沟通后，会确定一个 两个端口都支持的最大网络速率。

PHY 还提供了自动控制LED 等的功能。根据当前网络的传输速率，是否有数据传输，来自动控制LED 灯的行为。至于如何控制LED，可以根据PHY的datasheet 进行相关配置。

四 MAC控制器和PHY的通讯

以常见的 CPU 集成 MAC，PHY 采用独立芯片为例，抽象后如下：

其中：
MDIO总线接口叫做串行管理接口，以太网MAC通过该接口可以访问PHY的寄存器，通过对这些寄存器操作可对PHY进行控制和管理。

MII总线接口叫做介质独立接口，主要是完成数据收发相关的业务，以太网MAC通过该接口发出数据帧经过PHY后传输到其他网络节点上，同时其他网络节点的数据先经过PHY后再由MAC接收；

4.1 MII 介质独立接口

有以下接口：
MII： 支持10M/100M，缺点是信号线太多,16根线。
RMII： Reduced MII. 简化的MII，信号线少一倍，8根线，因此时钟也要快一倍。
SMII： Serial MII. 比RMII信号线更少，4根线。
GMII： Gigabit MII。也就是千兆接口了。 相对前面三个，数据从4bit变成8bit。时钟125MHz(1000/8)。缺点是信号线太多，24根线。

RGMII: Reduced GMII。 简化版GMII，为了保持传输速率(1000Mbps)不变，在时钟上升沿和下降沿都采样。

SGMII: Serial GMII。 时钟速率625MHz,所以能到1.2Gbps

以 MII 为例

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_ER，RX_CLK，CRS，RX_DV 等。MII的时钟为25MHz，传输速率为10/100Mbps。

如 25MHZ时钟，数据位宽4bit(一个时钟周期传输 4bit 数据)，
则传输速率： 25MHZ * 4bit = 100Mbps

4.2 MDIO 串行管理接口

如上文所述，MDIO用于上层（MAC）配置底层（PHY）的参数，它包括时钟信号 MDC 和数据信号 MDIO ，驱动程序可以通过 MDIO 和 MDC 这两根线访问 PHY 芯片的任意一个寄存器。

如果系统中不止一个PHY，MDIO 接口支持多达 32 个 PHY 。但是同一时刻内只能对一个 PHY 进行操作，那么如何区分这 32 个 PHY 芯片呢？和 IIC 一样，使用器件地址即可。同一 MDIO 接口下的所有 PHY 芯片， 其器件地址不能冲突，必须保证唯一 ，具体器件地址值要查阅相应的 PHY 数据手册。

注意，这里提到的PHY芯片Strap的物理地址仅与MDIO的配置过程寻址有关，和通常意义上的 MAC 地址没有任何关系。