以太网PHY与MAC详解：MII、RMII、RGMII接口及通信协议基础

本文旨在系统性地介绍以太网的 MAC（Media Access Control） 和 PHY（Physical Layer） 这两个核心组件，以及连接它们的关键接口——MII（Media Independent Interface）及其各种衍生版本，包括GMII、SGMII、RMII、RGMII等。

简介

从硬件架构来看，一块以太网接口电路主要由MAC控制器和PHY物理层接口两大部分构成。其基本关系如下图所示：

注：DMA控制器通常集成在CPU内部，上图中用虚线表示其可能参与网口数据传输。

在实际芯片设计中，MAC、PHY和CPU的集成方式并非一成不变。由于PHY包含大量模拟电路，而MAC是纯数字电路，考虑到芯片面积和混合信号设计的复杂性，常见的方案有以下几种：

• CPU集成MAC与PHY：这种高度集成的方案目前较为少见。
• CPU集成MAC，外挂独立PHY芯片：这是非常常见的架构，尤其在微控制器（MCU）中。
• CPU不集成MAC与PHY，使用独立的MAC+PHY集成芯片：同样是一种主流方案。

从网络协议栈的角度看，MAC和PHY分别工作在OSI七层模型的数据链路层和物理层。

什么是MAC？

MAC（媒体访问控制子层协议） 具有双重含义：它既是一个硬件控制器，也是一套通信协议。该协议位于数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。

MAC控制器的主要功能如下：

• 发送数据时：判断信道状态，在数据帧上添加目标/源MAC地址、帧类型等控制信息，并组装成规定格式（64-1518字节）发送至PHY。
• 接收数据时：校验帧是否传输错误，无误则剥离控制信息，将数据上交至LLC（逻辑链路控制）层。

MAC地址的获取依赖于ARP协议。首次与目标IP通信时，主机会发送广播ARP请求包，目标主机回应其MAC地址，此后双方便可在数据链路层直接寻址。IP与MAC的映射关系存储在本地ARP表中。

MAC控制器一端通过PCI等总线与主机相连，另一端则通过MII接口与PHY芯片连接。

什么是PHY？

PHY（物理层接口收发器） 是实现OSI模型物理层的标准模块。它由IEEE 802.3规范定义，STA（管理实体，通常为MAC或CPU）通过SMI（串行管理接口） 读写PHY内部的寄存器，从而管理和控制其工作状态（如速率、双工模式等）。

一个PHY芯片内部通常包含MII/GMII接口子层、物理编码子层（PCS）、物理介质附加子层（PMA）和物理介质相关子层（PMD）等。

什么是MII？

MII（媒体独立接口） 是连接MAC与PHY的标准并行接口，支持10Mbps和100Mbps速率。其数据位宽为4位。

MII接口主要包含两部分：

1. 数据接口：负责数据的发送与接收。
2. 管理接口（MDIO）：负责PHY的寄存器配置与状态读取。

主要信号线说明：

• TXD[3:0]/RXD[3:0]：4位发送/接收数据总线。
• TX_CLK/RX_CLK：发送/接收参考时钟（100M时为25MHz）。
• TX_EN/RX_DV：发送使能/接收数据有效指示。
• TX_ER/RX_ER：发送/接收错误指示。
• MDC/MDIO：管理接口的时钟与双向数据线。

MII接口的缺点是信号线数量较多（共16根），在需要多端口的交换机设计中会占用大量引脚，因此衍生出了多种简化版本。

什么是RMII？

RMII（简化媒体独立接口） 在MII的基础上将数据线从4位减少到2位。为了实现相同的吞吐量，其时钟频率需要加倍（100M时为50MHz）。RMII接口信号线少，更节省引脚资源。

什么是GMII与RGMII？

• GMII（千兆媒体独立接口）：用于千兆以太网，数据位宽扩展至8位，时钟频率为125MHz，同时向下兼容MII。
• RGMII（精简千兆媒体独立接口）：GMII的简化版。它将数据线从8位减至4位，在125MHz时钟的上升沿和下降沿都传输数据，从而实现千兆速率。控制信号TX_CTL和RX_CTL分别复用了TX_EN/TX_ER和RX_DV/RX_ER。这使得RGMII在性能和引脚数量间取得了良好平衡，成为千兆应用中非常流行的接口。

什么是SMI（MDIO）？

SMI，通常直接称为MDIO接口，是一个两线制（MDC时钟线和MDIO双向数据线）的串行管理接口。MAC（作为STA）通过它读写PHY（作为MMD）的内部寄存器，实现链路状态查询（如连接速率、是否联通）和功能配置（如开启流控、设置工作模式）。这是管理PHY芯片的核心通道。

常见问题解答（Q&A）

1. 网卡的MAC和PHY之间是什么关系？

网卡工作在物理层和数据链路层。PHY对应物理层，负责数模转换、编码解码等；MAC对应数据链路层下半部分，负责帧封装、寻址、差错校验等。二者通过标准接口（如MII）协同工作，共同完成网络数据的收发。

2. MAC和PHY之间如何通信？

它们通过两个通道协同工作：

• 数据通道：通过MII/GMII/RGMII等标准接口传输网络数据帧。
• 管理通道：通过SMI（MDIO） 接口，MAC读取PHY的状态寄存器以获取链路信息，或写入控制寄存器以配置PHY的工作模式。

这种基于标准接口和寄存器的设计，使得不同厂商的MAC和PHY芯片能够互联互通，这在网络协议和硬件设计中被广泛遵循。