SylixOSMII总线层解析

1.原理概述

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1.1 网卡驱动概述

一块以太网网卡包括OSI模型的两个层：物理层和数据链路层。数据链路层的芯片简称为MAC控制器，物理层的芯片简称为PHY。

MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据时，MAC先判断是否可以发送数据，如果可以发送，给数据加上控制信息，最终将数据及控制信息按规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC先判断信息是否发生传输错误，如果没有错误，去掉控制信息发送至LLC层。该层协议由IEEE-802.3以太网标准定义。

PHY是物理接口收发器，它实现物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。在发送数据时，收到MAC数据,把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则编码，再变为模拟信号发送数据。收数据时流程反之。PHY还有个重要的功能是实现CSMA/CD的部分功能。

PHY和MAC之间的关系是PCI总线接MAC总线，MAC接PHY，PHY接网线。

在以太网网卡驱动中，完全可以将PHY芯片的驱动抽象，做成通用接口。（IEEE802.3定义PHY芯片地址0-15寄存器的功能，地址16-31寄存器留给芯片制造商自由定义）。

2.技术实现

2.1 PHY驱动目录

PHY芯片驱动在SylixOS的Base中已经给出，如图 3.1所示。

SylixOS MII总线层解析

图 3.1 PHY驱动目录

SylixOS提供的PHY芯片驱动能支持10Mb，100Mb，1000Mb的链接能力。

2.2 PHY驱动框架

PHY驱动大致流程为：

初始化组件库（信号量，定时器）。

选择自动查找/指定查找PHY设备。

选择自动协商/指定链接模式。

启用定时器每隔一段时间查询链接状态。

如图 3.2所示。

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图 3.2 PHY驱动框架

在网卡驱动中，先对程序清单 3.1进行传参，再调用API_MiiPhyInit接口就能完成PHY芯片初始化。

程序清单 3.1传参

    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncWrite    = (FUNCPTR)__miiPhyWrite;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncRead     = (FUNCPTR)__miiPhyRead;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncLinkDown = (FUNCPTR)__miiLinkStatus;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pvMacDrv       = pmiidrv;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_ucPhyAddr      = ENET_PHYADDR;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiPhyID        = FEC_ENET_PHYID;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiPhyIDMask    =0x00000000;               /*  同系列芯片不同信号识别    */
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiTryMax       = 100;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiLinkDelay    = 100;                      /*  延时100毫秒自动协商过程   */
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiPhyFlags     = MII_PHY_AUTO |            /*  自动协商标志              */
                                              MII_PHY_FD   |            /*  全双工模式                */
                                              MII_PHY_100  |            /*  100Mbit                   */
                                              MII_PHY_10   |            /*  10Mbit                    */
                                              MII_PHY_HD   |            /*  半双工模式                */
                                              MII_PHY_MONITOR;         /*  启用自动监视功能          */

MAC能对PHY芯片进行读写操作（miiPhyWrite函数，miiPhyRead函数）。

链接状态变化函数（miiLinkStatus函数，打印链接信息并进行相关操作）。

控制参数传参（PHY驱动会根据传入参数进行不同操作，如是否开启自动协商，选择速度/双工模式，开启自动监视功能）。

2.3 具体实现

2.3.1 API_MiiPhyInit函数实现

API_MiiPhyInit函数会根据传入参数分别执行初始化组件库，查找PHY设备，设置链接能力。

PHY驱动提供链表将有效PHY设备加入到MII链表，能对多个PHY芯片进行操作。

如程序清单 3.2所示。

程序清单 3.2 API_MiiPhyInit函数实现

INTAPI_MiiPhyInit (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    if (API_MiiLibInit() == MII_ERROR) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    if (pPhyDev->PHY_ucPhyAddr == 0) {                                  /*  Auto scan phydevice        */
        if (API_MiiPhyScan(pPhyDev) == MII_ERROR) {
            _DebugHandle(__ERRORMESSAGE_LEVEL, "can notfind phy device.\r\n");
            return  (MII_ERROR);
        }
    } else {                                                           /*  Test specific phy device    */
        if (API_MiiPhyProbe(pPhyDev) != MII_OK) {
            MII_DEBUG_ADDR("can notfind phy device. addr[%02x]\r\n",
                          pPhyDev->PHY_ucPhyAddr);
            return  (MII_ERROR);
        }
        if (API_MiiPhyDiagnostic(pPhyDev) != MII_OK) {
            return  (MII_ERROR);
        }
    }
……
    if (API_MiiPhyLinkSet(pPhyDev) != MII_OK) {
        MII_DEBUG_ADDR("mii:found phy [%02x], but Link-Down.\r\n",
                      pPhyDev->PHY_ucPhyAddr);
    }
      usPhyStatus = pPhyDev->PHY_usPhyStatus;                                 /* Remember Link Status         */
                                                                        /* Get The New Status          */
……
    return  (iRet);                                                     /*  MII_ERROR orMII_OK         */
}

2.3.2 API_MiiLibInit函数实现

API_MiiLibInit函数初始化组件库。大致为创建信号量，定时器，并开启定时器，检测链接能力。（__miiPhyMonitor函数主要读取PHY芯片状态，更新状态信息）。

如程序清单 3.3所示。

程序清单 3.3 API_MiiLibInit函数实现

INTAPI_MiiLibInit (VOID)
{
 ……
    _G_hMiiMSem = API_SemaphoreMCreate("mii_lock", LW_PRIO_DEF_CEILING,
                                       LW_OPTION_WAIT_PRIORITY | LW_OPTION_DELETE_SAFE |
                                       LW_OPTION_INHERIT_PRIORITY | LW_OPTION_OBJECT_GLOBAL,
                                       LW_NULL);                       /* Create MIIMutex Semaphore   */
    _G_hMiiTimer = API_TimerCreate("mii_timer", LW_OPTION_ITIMER | LW_OPTION_OBJECT_GLOBAL, LW_NULL); 
    if (_G_hMiiTimer == 0) {                                            /* Create mii timer             */
        return  (MII_ERROR);
    }
……
    if (API_TimerStart(_G_hMiiTimer,                                    /* Start Phy Monitor            */
                      (MII_LINK_CHK_DELAY * LW_TICK_HZ),
                      LW_OPTION_AUTO_RESTART,
                      (PTIMER_CALLBACK_ROUTINE)__miiPhyMonitor,
                      LW_NULL)) {
        API_SemaphoreMDelete(&_G_hMiiMSem);
        return  (MII_ERROR);
    }
……
    return  (MII_OK);
}

2.3.3 API_MiiPhyScan函数实现

API_MiiPhyScan函数自动查找PHY设备。大致为从0-32对所有PHY设备地址进行查找，若存在设备，测试PHY是否有效。

如程序清单 3.4所示。

程序清单 3.4 API_MiiPhyScan函数实现

INTAPI_MiiPhyScan (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    for (i = 0; i < MII_MAX_PHY_NUM; i++, pPhyDev->PHY_ucPhyAddr++) {
        iRet = API_MiiPhyProbe(pPhyDev);
        if (iRet != MII_OK) {
            continue;
        }
        if (API_MiiPhyDiagnostic(pPhyDev) != MII_OK) {
            return  (MII_ERROR);
        }
        return  (MII_OK);                                               /* Found aValid PHY            */
    }
    return  (MII_PHY_NULL);
}

2.3.4 API_MiiPhyProbe，API_MiiPhyDiagnostic函数实现

API_MiiPhyProbe函数检测PHY设备是否存在，大致为读取PHY寄存器ID，进行匹配，返回是否成功。如程序清单 3.5所示。

程序清单 3.5 API_MiiPhyProbe函数实现

INTAPI_MiiPhyProbe (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    if (MII_READ(pPhyDev, MII_PHY_ID1_REG, &usID1) == MII_ERROR) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    if (MII_READ(pPhyDev, MII_PHY_ID2_REG, &usID2) == MII_ERROR) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    uiPhyID = usID1 | (usID2 << 16);
    if ((pPhyDev->PHY_uiPhyID & pPhyDev->PHY_uiPhyIDMask) !=
                     (uiPhyID & pPhyDev->PHY_uiPhyIDMask)) {
        return  (MII_PHY_NULL);                                         /* phyId不匹配                  */
    }
    return  (MII_OK);                                                  /* phyId匹配                    */
}

API_MiiPhyDiagnostic函数测试PHY是否有效，具体为复位PHY是否成功，检测PHY是否处于物理隔离状态。如程序清单 3.6所示。

程序清单 3.6 API_MiiPhyDiagnostic函数实现

INTAPI_MiiPhyDiagnostic (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    iRet = MII_WRITE(pPhyDev, ucRegAddr, usData);                      /* Reset thePHY                */
    if (iRet != MII_OK) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    for (i = 0; i < pPhyDev->PHY_uiTryMax; i++) {
        API_TimeMSleep(pPhyDev->PHY_uiLinkDelay);
        if (MII_READ(pPhyDev, ucRegAddr, &usData) == MII_ERROR) {
            return  (MII_ERROR);
        }
}
……
    usData = MII_CTRL_NORM_EN;                                          /* re-enable the chip           */
    if (MII_WRITE(pPhyDev, ucRegAddr, usData) == MII_ERROR) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    for (i = 0; i < pPhyDev->PHY_uiTryMax; i++) {
        API_TimeMSleep(pPhyDev->PHY_uiLinkDelay);
        if (MII_READ(pPhyDev, ucRegAddr, &usData) == MII_ERROR) {
            return  (MII_ERROR);
        }
    return  (MII_OK);
}

2.3.5 API_MiiPhyLinkSet函数实现

API_MiiPhyLinkSet函数设置PHY链接模式。如程序清单 3.7所示。

程序清单 3.7 API_MiiPhyLinkSet函数实现

INTAPI_MiiPhyLinkSet (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    if (__miiAbilFlagUpdate(pPhyDev) == MII_ERROR) {
        return  (MII_ERROR);
    }
……
    iRet = API_MiiPhyModeSet(pPhyDev);
……
    return  (MII_OK);
}

API_MiiPhyModeSet函数根据参数选择自动协商/手动设置。

如程序清单 3.8所示。

程序清单 3.8 API_MiiPhyModeSet函数实现

INTAPI_MiiPhyModeSet (PHY_DEV *pPhyDev)
{
    if (pPhyDev->PHY_uiPhyFlags & MII_PHY_AUTO) {                      /* AutoNegotiationenabled      */
       if (__miiAutoNegotiate(pPhyDev) == MII_OK) {
           return   (MII_OK);
       }
    } else {                                                           /* 未开启自动协商功能           */
        if (__miiModeForce(pPhyDev) == MII_OK) {
            if (__miiFlagsHandle(pPhyDev) == MII_OK) {                 /* handlesome flags            */
                return  (MII_OK);
            }
        }
    }
    return  (MII_ERROR);
}

__miiAutoNegotiate函数进行自动协商并检查协商是否成功。__miiBasicCheck用于检查是否link up/remote fault。如程序清单 3.9所示。

程序清单 3.9 __miiAutoNegotiate函数实现

staticINT__miiAutoNegotiate (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    /*
     * start theauto-negotiation process: return
     * only in caseof fatal error.
     */
   iRet = __miiAutoNegStart(pPhyDev);
……
    /* check the negotiation was successful */
    if (!(pPhyDev->PHY_uiPhyFlags & MII_PHY_NWAIT_STAT)) {
        if (__miiAnCheck(pPhyDev) == MII_OK) {
            return  (MII_OK);
        }
    }
    
    return  (MII_ERROR);
}

__miiAutoNegStart函数开始自动协商。具体为开始自动协商并根据传入参数选择等待自动协商结束/立即返回。如程序清单 3.10所示。

程序清单 3.10 __miiAutoNegStart函数实现

staticINT__miiAutoNegStart (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……
    /*
     * restart the auto-negotiation process
     */
    ucRegAddr = MII_CTRL_REG;
    usData    = (MII_CTRL_RESTART | MII_CTRL_AUTO_EN);
    if (MII_WRITE(pPhyDev, ucRegAddr, usData) != MII_OK) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    /*
     * let's check the PHY status forcompletion
     */
    if (!(pPhyDev->PHY_uiPhyFlags & MII_PHY_NWAIT_STAT)) {
        ucRegAddr = MII_STAT_REG;
        do {                                                           /* spin until it is done        */
            API_TimeMSleep(pPhyDev->PHY_uiLinkDelay);
            if (i++ == pPhyDev->PHY_uiTryMax)
                break;
            if (MII_READ(pPhyDev, ucRegAddr, &usPhyStatus) != MII_OK) {
                return  (MII_ERROR);
            }
        } while ((usPhyStatus & MII_SR_AUTO_NEG) != MII_SR_AUTO_NEG);
……
    return  (MII_OK);
}

2.3.6 __miiModeForce函数实现

__miiModeForce函数根据传入参数，设成指定链接模式（若多个参数，指定最高链接模式）。如程序清单 3.11所示。

程序清单 3.11 __miiModeForce函数实现

staticINT__miiModeForce (PHY_DEV *pPhyDev)
{
……                                                                    /* 100Mb/s full                 */
    if (MII_PHY_FLAGS_JUDGE(MII_PHY_100) && MII_PHY_FLAGS_JUDGE(MII_PHY_FD)) {
        usData = MII_CTRL_NORM_EN;
        usData |= MII_CTRL_100;
        usData |= MII_CTRL_FDX;
        __miiForceAttempt(pPhyDev, usData);
        MII_PHY_ABILITY_FLAGS_SET(MII_PHY_100 | MII_PHY_FD);
        return  (MII_OK);
    }
……
    return  (MII_ERROR);
}

__miiForceAttempt函数设成指定链接模式，并检查PHY状态。__miiBasicCheck函数用于检查PHY状态是否正确。如程序清单 3.12所示。

程序清单 3.12 __miiForceAttempt函数实现

staticINT__miiForceAttempt (PHY_DEV *pPhyDev, UINT16  usData)
{ 
    if (MII_WRITE(pPhyDev, MII_CTRL_REG, usData) != MII_OK) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    if (__miiBasicCheck(pPhyDev) != MII_OK) {
        return  (MII_ERROR);
    }
    return  (MII_OK);
}

2.3.7 __miiPhyMonitor函数实现

__miiPhyMonitor函数持续监测PHY状态。具体为每隔一段时间检测PHY链接状态并更新状态信息，当检测到为失去链接时调用PHYF_pfuncLinkDown函数（实际为之前的miiLinkStatus函数）。如程序清单 3.13所示。

程序清单 3.13 __miiPhyMonitor函数实现

staticINT__miiPhyMonitor (VOID)
{
……
            iRet = MII_READ(pPhyDev, MII_STAT_REG, &usPhyStatus);
            if (iRet == MII_ERROR) {
                goto    __mii_monitor_exit;
            }
            /*
             * is the PHY's status linkchanged?
             */
            if ((pPhyDev->PHY_usPhyStatus & MII_SR_LINK_STATUS) !=
                (usPhyStatus & MII_SR_LINK_STATUS)) {
                if (usPhyStatus & MII_SR_LINK_STATUS) {
                    if (pPhyDev->PHY_uiPhyFlags & MII_PHY_AUTO) {
                        __miiAbilFlagUpdate(pPhyDev);
                        __miiPhyUpdate(pPhyDev);
                    } else {
                        __miiFlagsHandle(pPhyDev);
                    }
                }
                if (pPhyDev->PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncLinkDown != LW_NULL) {
                    API_NetJobAdd((VOIDFUNCPTR)(pPhyDev->PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncLinkDown),
                                  (PVOID)(pPhyDev->PHY_pvMacDrv), 0, 0, 0, 0,0);
                    pPhyDev->PHY_usPhyStatus = usPhyStatus;
                }
……
    return  (iRet);
}

2.4 实际运用

__phyInit函数为在实际网卡驱动中编写的PHY芯片初始化驱动程序。具体为调用miiDrvInit函数写入参数，调用API_MiiPhyInit函数进行PHY芯片初始化。

如程序清单 3.14所示。

程序清单 3.14 __phyInit函数实现

staticINT__phyInit (struct netdev  *pNetDev)
{
……
    pEnet    = &_G_enetInfo;
    pnetdev = &pEnet->ENET_netdev;
    pmiidrv = miiDrvInit();
    if (!pmiidrv) {
        return  (PX_ERROR);
    }
    pEnet->ENET_miidrv = pmiidrv;
    pmiidrv->MIID_enet = pEnet;
    pnetdev->priv      = (PVOID)pEnet;
    iRet = API_MiiPhyInit(&(pEnet->ENET_miidrv->MIID_phydev));
    if (iRet == MII_OK) {
        pEnet->ENET_iMiiInit = 1;
    }
    return  (ERROR_NONE);
}

miiDrvInit函数将API_MiiPhyInit中需要用的参数进行传参。封装MAC对PHY的读写函数，指定工作模式。如程序清单 3.15所示。

程序清单 3.15 miiDrvInit函数实现

MII_DRV  *miiDrvInit (VOID)
{
……
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncWrite = (FUNCPTR)miiPhyWrite;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncRead = (FUNCPTR)miiPhyRead;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pPhyDrvFunc->PHYF_pfuncLinkDown = (FUNCPTR)miiLinkStatus;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_pvMacDrv       = pmiidrv;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_ucPhyAddr      = ENET_PHYADDR;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiPhyID        = FEC_ENET_PHYID;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiPhyIDMask    =0x00000000;               /*  同系列芯片不同信号识别    */
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiTryMax       = 100;
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiLinkDelay    = 100;                      /*  延时100毫秒自动协商过程   */
    pmiidrv->MIID_phydev.PHY_uiPhyFlags     = MII_PHY_AUTO |            /*  自动协商标志              */
                                              MII_PHY_FD   |            /*  全双工模式                */
                                              MII_PHY_100  |            /*  100Mbit                   */
                                              MII_PHY_10   |            /*  10Mbit                    */
                                              MII_PHY_HD   |            /*  半双工模式                */
                                              MII_PHY_MONITOR;          /*  启用自动监视功能          */
    return  (pmiidrv);
}

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