以太网硬件

Posted 2021-12-14 Li-Yongjun

结构

  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，PHY）两大部分构成。如下图所示

  但是，在实际的设计中，以上三部分并不一定独立分开的。 由于，PHY整合了大量模拟硬件，而MAC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。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。比较常见
  
• CPU不集成MAC与PHY，MAC与PHY采用集成芯片。比较常见
  

  MAC及PHY工作在OSI七层模型的数据链路层和物理层。具体如下

  IEEE802.3标准文档下载地址：https://ieeexplore.ieee.org/browse/standards/get-program/page/。它分为很多个section。

标准文档贼长，没有全部看过，大概第一部分是10Mb/s以太网（其中有关于MAC的规范），第二部分是100BASE-T 100Mb/s基带网络介绍，第三部分是1000 Mb/s基带网络介绍，第四部分是10 Gb/s基带网络介绍。但是，并不是说每部分都是独立的。

什么是MAC

  MAC（Media Access Control）即媒体访问控制子层协议。该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器 及 MAC通信以协议。该协议位于OSI七层协议中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硬件大约就是下面的样子了：

  在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。该层协议是以太网MAC由IEEE-802. 3以太网标准定义。最新的MAC同时支持 10Mbps和100Mbps两种速率。
  以太网数据链路层其实包含MAC(介质访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层。一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子层和LLC子层的功能，还要提供符合规范的PCI界面以实现和主机的数据交换。
  MAC从PCI总线收到IP数据包(或者其他网络层协议的数据包)后，将之拆分并重新打包成最大1518Byte、最小64Byte的帧。这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型(比如IP数据包的类型用80表示，最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码。
  可是目标的MAC地址是哪里来的呢？这牵扯到一个ARP协议(介乎于网络层和数据链路层的一个协议)。第一次传送某个目的IP地址的数据的时候，先会发出一个ARP包，其MAC的目标地址是广播地址，里面说到：“谁是xxx.xxx.xxx.xxx这个IP地址的主人？”因为是广播包，所有这个局域网的主机都收到了这个ARP请求。收到请求的主机将这个IP地址和自己的相比较，如果不相同就不予理会，如果相同就发出ARP响应包。这个IP地址的主机收到这个ARP请求包后回复的ARP响应里说到：“我是这个IP地址的主人”。这个包里面就包括了他的MAC地址。以后的给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了。(其它的协议如IPX/SPX也有相应的协议完成这些操作)
  IP地址和MAC地址之间的关联关系保存在主机系统里面，叫做ARP表。由驱动程序和操作系统完成。在Microsoft的系统里面可以用arp-a 的命令查看ARP表。收到数据帧的时候也是一样，做完CRC校验以后，如果没有CRC效验错误，就把帧头去掉，把数据包拿出来通过标准的接口传递给驱动和上层的协议栈。最终正确的达到我们的应用程序。

什么是MII

  MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。"媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。MII接口如下图所示：

  提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名词术语，下面讲一下他们之间对应的关系。
  所谓RS即Reconciliation sublayer，它的主要功能主要是提供一种MII和MAC/PLS之间的信号映射机制。它们(RS与MII)之间的关系如下图：

MII的Management Interface是与STA（Station Management）相连的。

关于本节，具体可参考IEEE以太网标准802.3的22.3 Signal timing characteristics节，其中包含时钟信号等更详细内容。

MII接口主要包括四个部分。一是从MAC层到PHY层的发送数据接口，二是从PHY层到MAC层的接收数据接口，三是从PHY层到MAC层的状态指示信号，四是MAC层和PHY层之间传送控制和状态信息的MDIO接口。

MII包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口：

• 数据接口： 包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号，包括
• TX_ER（transmit coding error）： TX_ER同步于TX_CLK，在数据传输过程中，如果TX_ER有效超过一个时钟周期，并且此时TX_EN是有效的，则数据通道中传输的数据是无效的，没用的。注：当TX_ER有效并不影响工作在10Mb/s的PHY或者TX_EN无效时的数据传输。在MII接口的连线中，如果TX_ER信号线没有用到，必须将它下拉接地。
• TXD<3:0>（transmit data）： TXD由RS驱动，同步于TX_CLK，在TX_CLK的时钟周期内，并且TX_EN有效，TXD上的数据被PHY接收，否则TXD的数据对PHY没有任何影响。
• TX_EN： 发送使能。TX_EN由Reconciliation子层根据TX_CLK上升沿同步进行转换，时序如图22-16所示。
• TX_CLK（transmit clock）： TX_CLK (Transmit Clock)是一个连续的时钟信号（即系统启动，该信号就一直存在），它是TX_EN, TXD, and TX_ER(信号方向为从RS到PHY)的参考时钟，TX_CLK由PHY驱动TX_CLK的时钟频率是数据传输速率的25%，偏差±100ppm。例如，100Mb/s模式下，TX_CLK时钟频率为25MHz，占空比在35%至65%之间。
• COL（collision detected）： COL不需要同步于参考时钟。The behavior of the COL signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one（自动协商禁止，人工设为全双工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半双工模式信号有效，全双工模式信号无效。
• RXD<3:0>（receive data）： RXD由RS驱动，同步于RX_CLK，在RX_CLK的时钟周期内，并且RX_DV有效，RXD上的数据被RS接收，否则RXD的数据对RS没有任何影响。While RX_DV is de-asserted, the PHY may provide a False Carrier indication by asserting the RX_ER signal while driving the value <1110> onto RXD<3:0>。
• RX_ER（receive error）： RX_ER同步于RX_CLK，其在RX通道中的作用类似于TX_ER对于TX通道数据传输的影响。
• RX_CLK： 它与TX_CLK具有相同的要求，所不同的是它是RX_DV, RXD, and RX_ER(信号方向是从PHY到RS)的参考时钟。RX_CLK同样是由PHY驱动，PHY可能从接收到的数据中提取时钟RX_CLK，也有可能从一个名义上的参考时钟(e.g., the TX_CLK reference)来驱动RX_CLK。
• CRS（carrier sense）： CRS不需要同步于参考时钟，只要通道存在发送或者接收过程，CRS就需要有效。The behavior of the CRS signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one(自动协商禁止，人工设为全双工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半双工模式信号有效，全双工模式信号无效。
• RX_DV（Receive Data Valid）： RXD_DV同步于RX_CLK，被PHY驱动，它的作用如同于发送通道中的TX_EN，不同的是在时序上稍有一点差别：为了让数据能够成功被RS接收，要求RXD_DV有效的时间必须覆盖整个FRAME的过程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter。
  MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。
• MII管理接口： 是个双信号接口，通过管理接口，MAC就能监视和控制PHY。其管理是使用SMI(Serial Management Interface) 总线通过读写PHY的寄存器来完成的。一个是时钟信号（***MDC (management data clock)***）。另一个是数据信号（***MDIO (management data input/output)***）。
• MDC： 由站管理实体向PHY提供，作为在MDIO信号上传送信息的定时参考。 MDC是一种非周期性的信号，没有最高或最低时间。 无论TX_CLK和RX_CLK的标称周期如何，MDC的最小高低时间应为160 ns，MDC的最小周期为400 ns。
• MDIO： 是PHY和STA之间的双向信号。 它用于在PHY和STA之间传输控制信息和状态。 控制信息由STA同步地针对MDC驱动并且由PHY同步地采样。 状态信息由PHY针对MDC同步驱动并由STA同步采样。

  PHY 里面的部分寄存器是IEEE定义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里面，MAC 通过SMI 总线不断的读取PHY 的状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的MII总线和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是由IEEE的规范的。因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。
  MII支持10Mbps和100Mbps的操作，一个接口由14根线组成，它的支持还是比较灵活的。但是有一个缺点是因为它一个端口用的信号线太多，如果一个8端口的交换机要用到112根线，16端口就要用到224根线，到32端口的话就要用到448根线。一般按照这个接口做交换机是不太现实的。所以现代的交换机的制作都会用到其它的一些从MII简化出来的标准，比如RMII、SMII、GMII等。

RMII(Reduced Media Independant Interface)

  简化媒体独立接口是标准的以太网接口之一，比MII有更少的I/O传输。RMII口是用两根线来传输数据的，MII口是用4根线来传输数据的，GMII是用8根线来传输数据的。MII/RMII只是一种接口，对于10Mbps线速，MII的时钟速率是2.5MHz就可以了，RMII则需要5MHz；对于100Mbps线速，MII需要的时钟速率是25MHz，RMII则是50MHz。
  MII/RMII用于传输以太网包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太网的PHY里需要做串并转换，编解码等才能在双绞线和光纤上进行传输，其帧格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。以太网帧的格式为：前导符+开始位+目的mac地址+源mac地址+类型/长度+数据+padding(optional)+32bitCRC。如果有vlan,则要在类型/长度后面加上2个字节的vlan tag，其中12bit来表示vlan id,另外4bit表示数据的优先级！

GMII(Gigabit MII)

  GMII是千兆网的MII接口，这个也有相应的RGMII接口，表示简化了的GMII接口。
  GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000。

• 发送器： 在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信号、TXD、TXEN、TXER信号与此时钟信号同步。否则在10/100Mbps速率下，PHY提供TXCLK时钟信号，其它信号与此信号同步。其工作频率为25MHz(100M网络)或2.5MHz(10M网络)。
• GTXCLK——吉比特TX…信号的时钟信号(125MHz)
• TXCLK——10/100Mbps信号时钟
• TXD[7…0]——被发送数据
• TXEN——发送器使能信号
• TXER——发送器错误(用于破坏一个数据包)
• 接收器：
• RXCLK——接收时钟信号(从收到的数据中提取,因此与GTXCLK无关联)
• RXD[7…0]——接收数据
• RXDV——接收数据有效指示
• RXER——接收数据出错指示
• COL——冲突检测(仅用于半双工状态)
• 管理配置： 管理配置接口控制PHY的特性。该接口有32个寄存器地址，每个地址16位。其中前16个已经在“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中规定了用途,其余的则由各器件自己指定。
• MDC——配置接口时钟
• MDIO——配置接口I/O

什么是PHY

  PHY（（Physical Layer，PHY））是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（station management entity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过SMI（Serial Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。一个PHY的基本结构如下图：

  PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。包括MII/GMII(介质独立接口)子层、PCS(物理编码子层)、PMA(物理介质附加)子层、PMD(物理介质相关)子层、MDI子层。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范。

PHY寄存器在IEEE802.3标准的 22.2.4 Management functions 节有介绍，但不涉及所有的寄存器，个别寄存器需要到其它章节中看，当然，文档里面也提到该在哪里找到哪个寄存器。

PHY寄存器

  PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器（随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器），IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义，如下表所示。

（1）官方介绍请参考IEEE802.3标准的 22.2.4 Management functions 节。
（2）上图的B和E表示了，在特定接口下，寄存器是基本的还是扩展的。例如：MII接口下只有0和1寄存器是基本的，其它的是扩展的。注意：所为扩展是指留给IEEE以后的扩展特性用，不是给PHY厂商的扩展，PHY厂商自定义的只能是16~31号寄存器
（3）在IEEE标准文档及某些PHY手册中，某寄存器的比特(bit)用X.y表示，如0.15表示第0寄存器的第15位。

Control Register (Register 0)

  寄存器0是PHY控制寄存器，通过Control Register可以对PHY的主要工作状态进行设置。应该保证控制寄存器每个位的默认值，以便在没有管理干预的情况下，上电或复位时PHY的初始状态为正常操作状态。Control Register的每一位完成的功能见下。

• Reset： 通过将位0.15设置为逻辑1来完成复位PHY。 该操作应将状态和控制寄存器设置为其默认状态。 因此，此操作可能会改变PHY的内部状态以及与PHY关联的物理链路的状态。复位过程中Bit15保持为1，复位完成之后该位应该自动清零。 在复位过程完成之前，PHY不需要接受对控制寄存器的写入操作，并且在复位过程完成之前写入0.15以外的控制寄存器位可能不起作用。 复位过程应在0.15位设置的0.5 s内完成。

（1）一般要改变端口的工作模式（如速率、双工、流控或协商信息等）时，在设置完相应位置的寄存器之后，需要通过Reset位复位PHY来使配置生效。
（2）该比特位的默认值为 0。

• Loopback： 当位0.14被设置为逻辑1时，PHY应置于环回操作模式。 当位0.14置位时，PHY接收电路应与网络介质隔离，并且MII或GMII处的TX_EN断言不应导致网络介质上的数据传输。 当位0.14置位时，PHY应接受来自MII或GMII发送数据路径的数据，并将其返回给MII或GMII接收数据路径，以响应TX_EN的断言。 当位0.14置位时，从断言TX_EN到断言RX_DV的延迟应小于512 BT。 当位0.14置位时，除非设置了位0.7，否则COL信号应始终保持无效，在这种情况下，COL信号的行为应如22.2.4.1.9所述。 清0.14位为零允许正常操作。
    Loopback是一个调试以及故障诊断中常用的功能，Bit14置1之后，PHY和外部MDI的连接在逻辑上将被断开，从MAC经过MII/GMII（也可能是其他的MAC/PHY接口）发送过来的数据将不会被发送到MDI上，而是在PHY内部（一般在PCS）回环到本端口的MII/GMII接收通道上，通过Loopback功能可以检查MII/GMII以及PHY接口部分是否工作正常，对于端口不通的情况可用于故障定位。

（1）需要注意的是，很多时候PHY设置Loopback后端口可能就Link down了，MAC无法向该端口发帧，这时就需要通过设置端口Force Link up才能使用Loopback功能。
（2）该比特位的默认值为 0。

• Speed Selection： ***Bit13和Bit6两位联合实现***对端口的速率控制功能。链接速度可以通过自动协商过程或手动速度选择来选择。 通过将位0.12清零来禁用自动协商时，允许手动速度选择。
• 当禁用自动协商并将位0.6清除为逻辑0时，将位0.13设置为逻辑1将PHY配置为100 Mb / s操作，并将位0.13清除为逻辑0将PHY配置为10 Mb / s操作 。
• 当禁用自动协商并将位0.6设置为逻辑1时，将位0.13清零为逻辑0会选择1000 Mb / s的操作。 将位0.6和0.13设置为逻辑1的组合保留用于未来的标准化。
• 当使能自动协商时，可以读取或写入位0.6和0.13，但位0.6和位0.13的状态对链路配置没有影响，位0.6和位0.13不需要反映当它被读取时链接。

  如果PHY通过比特1.15：9和比特15.15：12报告它不能工作在所有速度时，则比特0.6和0.13的值应该与PHY可以操作的速度相对应。并且任何试图将该位设置为无效的操作均将被忽略。

（1）对Speed Selection的修改设置，往往需要复位端口才能配置生效。因此在设置该位置的时候需要检查自动协商的设置并通过Bit15复位端口。
（2）位0.6和0.13的默认值是根据位1.15：9和15.15：12所指示的PHY可以操作的***最高数据速率***的编码组合。

• Auto-Negotiation Enable： 自动协商过程应通过将位0.12设置为逻辑1来启用。 如果位0.12设置为逻辑1，则位0.13、0.8和0.6不应对链路配置和除了自动协商协议规定之外的站操作产生影响。 如果将位0.12清零为逻辑0，则无论链路配置和自动协商过程的先前状态如何，位0.13、0.8和0.6都将确定链路配置。
    如果PHY通过位1.3报告它缺乏执行自动协商的能力，则PHY应在位0.12返回零值。 如果PHY通过位1.3报告它缺乏执行自动协商的能力，则位0.12应该始终写为0，并且任何尝试将1写入位0.12都应该被忽略。

必须注意的是，对于1000BASE-T接口,自动协商必须打开。

• Power Down： 通过将位0.11设置为逻辑1，可以将PHY置于低功耗状态。 清0.11位为零允许正常操作。 PHY在掉电状态下的具体行为是特定实现的。 处于掉电状态时，PHY应响应管理事务。 在转换到掉电状态期间和处于掉电状态期间，PHY不应在MII或GMII上产生寄生信号。
    当位0.11或位0.10被设置为逻辑1时，PHY不需要满足RX_CLK和TX_CLK信号功能要求。 在位0.11和0.10清零后，PHY应在0.5 s内满足22.2.2中定义的RX_CLK和TX_CLK信号功能要求。

（1）Power Down模式一般在软件shut down端口的时候使用，需要注意的是端口从Power Down模式恢复，需要复位端口以保证端口可靠的连接。
（2）该位的默认值为 0。

• Isolate： 通过将位0.10设置为逻辑1，PHY可能被迫将其数据路径与MII或GMII电隔离。 清零位0.10允许正常操作。 当PHY与MII或GMII隔离时，它不会响应TXD数据包和TX_EN，TX_ER、GTX_CLK的输入。并且它的TX_CLK，RX_CLK，RX_DV，RX_ER，RXD数据包、COL和CRS输出均应为高阻态。 当PHY与MII或GMII隔离时，它将响应管理事务（MDC/MDIO接口的信号）。

（1）IEEE802.3没有对Isolate 时MDI接口的状态进行规范，此时MDI端可能还在正常运行。Isolate在实际应用中并没有用到。
（2）由于目前很多百兆的PHY芯片其MAC接口主流的都是SMII/S3MII，8个端口的接口是相互关联的，一个端口设置Isolate可能会影响其他端口的正常使用，因此在使用中注意不要随意更改bit10的状态。

• Restart Auto-Negotiation： 如果PHY通过位1.3报告它缺乏执行自动协商的能力，或者如果自动协商被禁用，则PHY应在位0.9返回零值。 如果PHY通过位1.3报告它缺乏执行自动协商的能力，或者如果禁用了自动协商，则应将位0.9始终写为0，并且任何尝试将1写入位0.9应被忽略。
    Bit9置1将重新启动端口的自动协商进程，当然前提是Auto-Negotiation Enable是使能的。

一般在修改端口的自动协商能力信息之后通过Bit9置1重新启动自动协商来使端口按照新的配置建立link。

• Duplex Mode： 可以通过自动协商过程或手动双面选择来选择双工模式。 通过将位0.12清零来禁用自动协商时，允许手动双面选择。
• 当禁用自动协商时，将位0.8设置为逻辑1将PHY配置为全双工操作，并将位0.8清零以将逻辑0配置为用于半双工操作的PHY。
• 当启用自动协商时，可以读取或写入位0.8，但位0.8的状态对链路配置没有影响。

  如果PHY通过位1.15：9和15.15：12报告它只能在一个双工模式下工作，则位0.8的值应该与PHY可以工作的模式相对应，并且任何尝试改变将该位0.8修改为无效指的操作应被忽略。

对Duplex Mode的修改配置也需要复位端口才能生效。

• Collision Test： 冲突信号（COL）测试开关。在需要对COL信号进行测试时，可以通过Bit7置1，这时PHY将输出一个COL脉冲以供测试。实际测试操作中也可以将端口配置为半双工状态，通过发帧冲突来测试COL信号，因此该配置实用价值不大。
• Unidirectional enable： 如果PHY通过比特1.7报告它不具备编码和传输来自媒体独立接口的数据的能力，而不管PHY是否确定已建立有效链路，则PHY应在比特0.5中返回零值，并且 任何尝试写一个到位0.5应该被忽略。

Status register

  寄存器1是PHY状态寄存器，主要包含PHY的状态信息，大多数bit的值都是由芯片厂家确定的，每一个bit的功能在表3种已有详细说明。

寄存器中各位的详细说明如下：

• 100BASE-T4 ability： 当读为逻辑1时，位1.15指示PHY有能力使用100BASE-T4信令规范执行链路发送和接收。 当读为逻辑0时，位1.15表示PHY缺乏使用100BASE-T4信令规范执行链路发送和接收的能力。
• 100BASE-X full duplex ability： 当读为逻辑1时，位1.14指示PHY有能力使用100BASE-X信令规范执行全双工链路传输和接收。 当作为逻辑0读取时，bit1.14表示PHY缺乏使用100BASE-X信令规范执行全双工链路传输和接收的能力。
• 100BASE-X half duplex ability： 当读为逻辑1时，位1.13指示PHY有能力使用100BASE-X信令规范执行半双工链路传输和接收。 当读为逻辑0时，位1.13指示PHY缺乏使用100BASE-X信令规范执行半双工链路传输和接收的能力。
• 其他同类型的值意义基本与上面几个相同：指示PHY所具有的工作模式能力，不再一一说明。
• Unidirectional ability： 当读为逻辑1时，位1.7指示PHY具有编码和传输来自媒体独立接口的数据的能力，而不管PHY是否确定已建立有效链路。 当读为逻辑0时，位1.7指示PHY只有在PHY确定已建立有效链路时才能从媒体独立接口传输数据。
• MF preamble suppression ability： 当读为逻辑1时，位1.6指示PHY能够接受管理帧，而不管它们是否在22.2.4.5.2中描述的前导码模式之前。 当读为逻辑0时，位1.6指示PHY不能接受管理帧，除非它们之前是22.2.4.5.2中描述的前导码模式。
• Auto-Negotiation Complete： 当读为逻辑1时，位1.5指示自动协商过程已完成，并且由自动协商协议（条款28或条款37）实施的扩展寄存器的内容是有效的。 当读为逻辑0时，位1.5指示自动协商过程尚未完成，并且扩展寄存器的内容由自动协商协议的当前状态定义，或者为手动配置写入。 如果自动协商通过清除位0.12禁用，则PHY应在位1.5返回零值。 如果PHY缺乏执行自动协商的能力，它还应在位1.5返回零值。

在调试以及异常故障处理时，可以通过该位寄存器的状态判断AN是否成功，从而进一步的检查AN相关的设置是否正确，或者芯片的AN功能是否正常等。

• Remote Fault： 当读为逻辑1时，位1.4表示检测到远程故障状态。 故障类型以及故障检测的标准和方法是PHY特定的。 远程故障位必须使用锁存功能来实现，以便发生远程故障将导致远程故障位置位，并保持置位状态直至被​​清除。 每当通过管理接口读取寄存器1时，远程故障位应清零，并且还应通过PHY复位清零。
    远端错误指示位。Bit4=1代表连接对端（Link Partner）出错，至于出错的具体类型以及错误检测机制在规范中并没有定义，由PHY的制造商自由发挥，一般的厂商都会在其他的寄存器（Register16-31由厂商自行定义）指示比较详细的错误类型。在与端口相关的故障查证中，Remote Fault是一个重要的指示信息，通过互联双方的Remote Fault信息（可能要加上其他的具体错误指示），可以帮助定位故障原因。
• Auto-Negotiation ability： 当读为逻辑1时，位1.3指示PHY有能力执行自动协商。 当读为逻辑0时，位1.3指示PHY缺乏执行自动协商的能力。
• Link Status： 当读为逻辑1时，位1.2指示PHY已经确定已建立有效链路。 当作为逻辑0读取时，位1.2指示该链接无效。 确定链路有效性的标准是PHY特定的。 链路状态位应该使用锁存功能来实现，以便发生链路故障情况将导致链路状态位清零并保持清零，直到通过管理接口读取。 此状态指示旨在支持在30.5.1.1.4，aMediaAvailable中定义的管理属性。
    实际应用中一般都是通过Bit2来判断端口的状态。而且，一般的MAC芯片也是通过轮询PHY的这个寄存器值来判断端口的Link状态的（这个过程可能有不同的名称，比如BCM叫做Link Scan，而Marvell叫做PHY Polling。）如前所述，在AN Enable的情况下，Link Status的信息只有在Auto-Negotiation Complete指示已经完成的情况下才是正确可靠的，否则有可能出错。
• Jabber Detect： 当作为逻辑1读取时，位1.1指示已经检测到爆音条件。 此状态指示旨在支持30.5.1.1.6中定义的管理属性，aJabber和30.5.1.3.1 nJabber中定义的MAU通知。 检测Jabber条件的标准是PHY特定的。 Jabber检测位应该使用锁存功能来实现，以便发生Jabber条件将导致Jabber检测位置位，并保持置位状态直至被​​清除。 每次通过管理接口读取寄存器1时，Jabber检测位应清零，并且还应通过PHY复位清零。
    IEEE802.3对Jabber的解释是“A condition wherein a station transmits for a period of time longer than the maximum permissible packet length, usually due to a fault condition”。这一位指示的是Link Partner发送的时间超过了规定的最大长度。值得注意的是，Jabber Detect只有在10BASE-T模式下才有意义，100和1000M模式是没有定义Jabber这一功能的。

PHY Identifier Register

  寄存器2和3存放PHY芯片的型号代码，寄存器2(PHY ID1)为高16位，而寄存器3(PHY ID2)为低16位。由芯片制造商自行定义，实际应用中软件通过读取这两个寄存器的内容可以识别PHY的型号和版本。
  PHY标识符应由由IEEE分配给PHY制造商的组织唯一标识符（OUI）的（只需要使用第3至第24位，共22位），加上6位制造商的型号以及4位制造商的修订版编号组成。 PHY标识符旨在提供足够的信息来支持30.1.2中所要求的oResourceTypeID对象。
  OUI的第三位分配给位2.15，OUI的第四位分配给位2.14，依此类推。 位2.0包含OUI的第十八位。 位3.15包含OUI的第十九位，位3.10包含OUI的第二十四位。 位3.9包含制造商型号的MSB。 位3.4包含制造商型号的LSB。 位3.3包含制造商版本号的MSB，位3.0包含制造商版本号的LSB。具体如下图所示：

Auto-Negotiation Advertisement Register (Register 4) (R/W)

  寄存器4是自动协商的能力通告寄存器，在AN Enable的前提下（见寄存器0），端口根据该寄存器的相关配置将自动协商信息通过FLP在MDI上进行通告。当AN配置为Disable状态的时候，寄存器4的配置将不起作用，端口的工作模式由控制寄存器中的配置决定。
  该寄存器包含PHY的通告能力，它们将在自动协商期间传送给其链接伙伴。 基本页的位定义在IEEE标准的28.2.1.2中定义。 上电时，在自动协商开始之前，该寄存器应具有以下默认配置：

• Selector Field （4.4：0）： 被设置为适当的代码，如IEEE标准的附件28A中所规定。
• Reserved（4.14）： 被设置为逻辑0。
• Technology Ability Field（4.11：5）： 根据MII状态寄存器（寄存器1）（1.15：11）中设置的值或等效值设置。 另见28.2.1.2.3和附件28D。
  

Link codeword encoding（基本链路码字）

  在FLP Burst内传输的基本链路代码字（基本页面）应该传达如图28-7所示的编码。 自动协商功能可以使用下一页功能支持其他页面。 下一页交换中使用的链接代码字的编码在28.2.3.4中定义。 在FLP Burst中，D0应该是第一个传输的位。

Next Page function

  下一页功能使用标准的自动协商仲裁机制来允许交换任意的数据。 数据由可选的下一页信息携带，其遵循用于基本链接码字的传输和确认过程。 定义了四种类型的下一页编码：消息页面，未格式化页面，扩展消息页面和扩展的未格式化页面。
  关于该部分，具体见IEEE标准的28.2.3.4 Next Page function。
  在IEEE标准中，Auto-Negotiation Advertisement Register中的各部分全部是在独立章节中进行介绍的。具体如下：

• Selector Field： 选择器字段（S [4：0]）是一个5位宽的字段，编码32个可能的消息。 链路码字中的选择器字段S [4：0]应用于识别自动协商发送的消息的类型。 下表列出了可能发送的消息的类型。 随着新消息的发展，该表格将相应更新。
  
  未指定的组合保留供将来使用。 不会传输选择器字段的预留组合。***我们所接触的以太网PHY遵从IEEE802.3规范，Selector Field=0001，该区域不可随意更改（很多PHY将此区域设计为只读寄存器，以免被修改）***。
• Technology Ability Field： 技术能力字段（A [6：0]）是一个7位宽的字段，其中包含指示选择器字段值特定的支持技术的信息。 这些位被映射到各个技术，以便能够针对单个选择器字段值并行通告能力。 附录28B.2和附件28D描述了IEEE 802.3选择器的技术能力字段编码。 链接代码字中可能会公布多种技术。 设备应支持其宣传的技术的数据服务能力。
  
• Extended Next Page： 扩展下一页（XNP）被编码在基本链路码字的位D12中。 扩展下一页位指示本地设备在设置为逻辑1时支持扩展下一页的传输，并指示本地设备在设置为逻辑0时不支持扩展下一页。 Extended Next Page的使用与协商的数据速率，媒体或链接技术是正交的。 扩展下一页位按照28.2.3.4中的扩展下一页功能规范使用。
• Next Page： 无论选择器字段值还是链接码字编码，下一页（NP）都在D15位编码。 支持附加链接码字编码的传输和接收是可选的。 如果不支持Next Page功能，NP位应始终设置为逻辑0。 如果设备实现下一页功能并希望进行下一页交换，则应将NP位设置为逻辑1。 设备可以实现下一页功能，并通过将NP位设置为逻辑0来选择不参与下一页交换。 下一页功能在28.2.3.4中定义。
• Remote Fault： 远程故障（RF）编码在基本链路码字的位D13中。 默认值是逻辑零。 远程故障位为传输简单的故障信息提供了一种标准的传输机制。 当自动协商通告寄存器（寄存器4）中的RF位设置为逻辑1时，发送的基本链路码字中的RF位被设置为逻辑1。 当接收到的基本链路代码字中的RF位被设置为逻辑1时，如果存在MII管理功能，则MII状态寄存器（寄存器1）中的远程故障位将被设置为逻辑1。

Auto-Negotiation Link Partner ability register (Register 5) (RO)

  寄存器5保存的是本端PHY接收到的对端PHY所通告的端口能力，寄存器5的结构和寄存器4基本一致。

Auto-Negotiation Expansion Register (Register 6) (RO)

  寄存器6保存了PHY自动协商过程的异常信息。从这个寄存其中我们可以获取到Link Partner子否支持自动协商以及自动协商下一页有没有收到的信息。

Auto-Negotiation Next Page transmit register (Register 7) (R/W)

  自动协商下一页发送寄存器包含在支持下一页功能时要发送的下一页链接码字。 （见表28-6）内容在28.2.3.4中定义。 上电时，该寄存器应包含默认值2001H，该值表示消息代码设置为Null消息的消息页面。 该值可以由设备希望传输的任何有效的下一页消息代码替换。 写入该寄存器应将mr_next_page_loaded设置为true。

Auto-Negotiation Link Partner Received Next Page register (Register 8) (RO)

未完待续。。。

附件

1. 无

参考文档

• IEEE Standard for Ethernet
• 网络