关于嵌入式Linux的网络接口设计

1.1 嵌入式网络简介

1.1.1 嵌入式下的网络硬件接口

提起网络，我们一般想到的硬件就是“网卡”，现在网卡已经是通过一个芯片来完成了，嵌入式网络硬件分为两部分：MAC和PHY，大家都是通过看数据手册来判断一款SOC是否支持网络，如果一款芯片数据手册说自己支持网络，一般都是说的这款SOC内置MAC，MAC类似I2C控制器、SPI控制器一样的外设。

但是光有MAC还不能直接驱动网络，还需要另外一个芯片：PHY，因此对于内置MAC的SOC，其外部必须搭配一个PHY芯片。内部没有MAC的SOC芯片，就需要使用外置的MAC+PHY一体芯片了，这里就要牵扯出常见的两个嵌入式网络硬件方案了。

1.SOC内部没有网络MAC外设

对于内部没有MAC的SOC芯片，可以使用外置 MAC+PHY一体的网络芯片来实现网络功能。比如三星linux开发板里面用的最多的DM9000，DM9000对SOC提供了一个SRAM接口，SOC会以SRAM的方式操作DM9000。

有些外置的网络芯片更强大，内部甚至集成了硬件TCP/IP协议栈，对外提供一个SPI接口，比如W5500。这个一般用于单片机领域，单片机通过SPI接口与W5500进行通信，由于W5500内置了硬件TCP/IP协议栈，因此单片机就不需要移植软件协议栈，直接通过SPI来操作W5500，简化了单片机联网方案。

这种方案的优点就是让不支持网络的SOC能够另辟蹊径，实现网络功能，但是缺点就是网络效率不高，因为一般芯片内置的MAC会有网络加速引擎，比如网络专用DMA，网络处理效率会很高。而且此类芯片网速都不快，基本就是10/100M。另外，相比PHY芯片而言，此类芯片的成本也比较高，可选择比较少。

SOC与外部MAC+PHY芯片的连接如图1-1所示：

图1-1 主控SOC与外置MAC+PHY芯片连接

2.SOC内部集成网络MAC外设

我们一般说某个SOC支持网络，说的就是他内部集成网络MAC外设，此时我们还需要外接一个网络PHY芯片。。

目前几乎所有支持网络的SOC都是内置MAC外设，比如STM32F4/F7/H7系列、NXP的I.MX系列，内部集成网络MAC的优点如下：

1）内部MAC外设会有专用的加速模块，比如专用的DMA，加速网速数据的处理。

2）网速快，可以支持10/100/1000M网速。

3）外接PHY可选择性多，成本低。

内部的MAC外设会通过MII或者RMII接口来连接外部的PHY芯片，MII/RMII接口用来传输网络数据。另外主控需要配置或读取PHY芯片，也就是读写PHY的内部寄存器，所以还需要一个控制接口，叫做MIDO，MDIO很类似IIC，也是两根线，一根数据线叫做MDIO，一根时钟线叫做MDC。

SOC内部MAC外设与外部PHY芯片的连接如图1-2所示：

图1-2 内部MAC与外部PHY之间的连接

大家在做项目的时候，如果要用到网络功能，强烈建议大家选择内部带有网络MAC外设的主控SOC！I.MX6ULL就有两个10M/100M的网络MAC外设，正点原子ALPHA开发板板载了两颗PHY芯片，型号为LAN8720。因此，本章节只讲解SOC内部MAC+外置PHY芯片这种方案。

1.1.2 MII/RMII接口

前面我们说了，内部MAC通过MII/RMII接口来与外部的PHY芯片连接，完成网络数据传输，本节我们就来学习一下什么是MII和RMII接口。

1.MII接口

MII全称是Media Independent Interface，直译过来就是介质独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网标准接口，MII接口用于以太网MAC连接PHY芯片，连接示意图如图1-3所示：

图1-3 MII接口

MII接口一共有16根信号线，含义如下：

TX_CLK：发送时钟，如果网速为100M的话时钟频率为25MHz，10M网速的话时钟频率为2.5MHz，此时钟由PHY产生并发送给MAC。

TX_EN：发送使能信号。

TX_ER：发送错误信号，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。10Mpbs网速下TX_ER不起作用。

TXD[3:0]：发送数据信号线，一共4根。

RXD[3:0]：接收数据信号线，一共4根。

RX_CLK：接收时钟信号，如果网速为100M的话时钟频率为25MHz，10M网速的话时钟频率为2.5MHz，RX_CLK也是由PHY产生的。

RX_ER：接收错误信号，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。10Mpbs网速下RX_ER不起作用。

RX_DV：接收数据有效，作用类似TX_EN。

CRS：载波侦听信号。

COL：冲突检测信号。

MII接口的缺点就是所需信号线太多，这还没有算MDIO和MDC这两根管理接口的数据线，因此MII接口使用已经越来越少了。

2.RMII接口

RMII全称是Reduced Media Independent Interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是MII接口的精简版本。RMII接口只需要7根数据线，相比MII直接减少了9根，极大的方便了板子布线，RMII接口连接PHY芯片的示意图如图1-4所示：

图1-4 RMII接口

TX_EN：发送使能信号。

TXD[1:0]：发送数据信号线，一共2根。

RXD[1:0]：接收数据信号线，一共2根。

CRS_DV：相当于MII接口中的RX_DV和CRS这两个信号的混合。

REF_CLK：参考时钟，由外部时钟源提供， 频率为50MHz。这里与MII不同，MII的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由PHY芯片提供的。

除了MII和RMII以外，还有其他接口，比如GMII、RGMII、SMII、SMII等，关于其他接口基本都是大同小异的，这里就不做讲解了。正点原子ALPAH开发板上的两个网口都是采用RMII接口来连接MAC与外部PHY芯片。

1.1.3 MDIO接口

MDIO全称是Management Data Input/Output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，一根MDIO数据线，一根MDC时钟线。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。MDIO接口支持多达32个PHY。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。

因此，MAC和外部PHY芯片进行连接的时候主要是MII/RMII和MDIO接口，另外可能还需要复位、中断等其他引脚。

1.1.4 RJ45接口

网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的叫做RJ45座，如图1-5所示：

图1-5 RJ45座子

RJ45座要与PHY芯片连接在一起，但是中间需要一个网络变压器，网络变压器用于隔离以及滤波等，网络变压器也是一个芯片，外形一般如图1-6所示：

图1-6 网络变压器

但是现在很多RJ45座子内部已经集成了网络变压器，比如最常用的HR911105A就是内置网络变压器的RJ45座。内置网络变压器的RJ45座和不内置的引脚一样，但是一般不内置的RJ45座会短一点。

因此，大家在画板的时候一定要考虑你所使用的RJ45座是否内置网络变压器，如果不内置的话就要自行添加网络变压器部分电路！同理，如果你所设计的硬件是需要内置网络变压器的RJ45座，肯定不能随便焊接一个不内置变压器的RJ45座，否则网络工作不正常！

RJ45座子上一般有两个灯，一个黄色(橙色)，一个绿色，绿色亮的话表示网络连接正常，黄色闪烁的话说明当前正在进行网络通信。这两个灯由PHY芯片控制，PHY芯片会有两个引脚来连接RJ45座上的这两个灯。内部MAC+外部PHY+RJ45座(内置网络变压器)就组成了一个完整的嵌入式网络接口硬件，如图1-7所示：

图1-7 嵌入式网络硬件接口示意图

1.1.5 PHY芯片基础知识

PHY是IEEE 802.3规定的一个标准模块，前面说了，SOC可以对PHY进行配置或者读取PHY相关状态，这个就需要PHY内部寄存器去实现。PHY芯片寄存器地址空间为5位，地址 031共32个寄存器，IEEE定义了015这16个寄存器的功能，16~31这16个寄存器由厂商自行实现。

也就是说不管你用的哪个厂家的PHY芯片，其中0~15这16个寄存器是一模一样的。仅靠这16个寄存器是完全可以驱动起PHY芯片的，至少能保证基本的网络数据通信，因此Linux内核有通用PHY驱动，按道理来讲，不管你使用的哪个厂家的PHY芯片，都可以使用Linux的这个通用PHY驱动来验证网络工作是否正常。

事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致Linux内核的通用PHY驱动工作不正常，这个时候就需要驱动开发人员去调试了。但是，随着现在的PHY芯片性能越来越强大，32个寄存器可能满足不了厂商的需求，因此很多厂商采用分页威廉希尔官方网站 来扩展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。

这些多出来的寄存器可以用于实现厂商特有的一些威廉希尔官方网站 ，因此Linux内核的通用PHY驱动就无法驱动这些特色功能了，这个时候就需要PHY厂商提供相应的驱动源码了，所以大家也会在Linux内核里面看到很多具体的PHY芯片驱动源码。

不管你的PHY芯片有多少特色功能，按道理来讲，Linux内核的通用PHY驱动是绝对可以让你这PHY芯片实现基本的网络通信，因此大家也不用担心更换PHY芯片以后网络驱动编写是不是会很复杂。

IEEE802.3协议英文原版中的 “22.2.4 Management functions”章节，此章节对PHY的前16个寄存器功能进行了规定，如图1-8所示：

图1-8 IEEE规定的前16个寄存器

关于这16个寄存器的内容协议里面也进行了详细的讲解，这里就不分析了。大家可以找个具体的PHY芯片数据手册对比看一下，比如百M网络最常用的LAN8720A这个PHY，大家可以看一下LAN8720前面几个寄存器结构是否和图1-8中的一样。

关于嵌入式Linux的网络接口设计就讲到这里。