MAC和PHY详解(含重点标注)

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2024年6月19日发(作者：)

以太网设计FAQ：以太网MAC和PHY

问：如何实现单片以太网微控制器？

答：诀窍是将微控制器、以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合进同一芯片，这样能去掉许多外接

元器件。这种方案可使MAC和PHY实现很好的匹配，同时还可减小引脚数、缩小芯片面积。单片以太网微控制器还

降低了功耗，特别是在采用掉电模式的情况下。

问：以太网MAC是什么？

答：MAC就是媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。最新的MA

C同时支持10Mbps和100Mbps两种速率。通常情况下，它实现MII接口。

问：什么是MII？

答：MII即媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之

间的管理接口(图1)。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。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理

接口，上层能监视和控制PHY。

问：以太网PHY是什么？

答：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。它符合IEEE-802.3k中用于10B

aseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范。

问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？

答：PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。芯片面积及模拟/数字混合架构是为什么先将MAC集

成进微控制器而将PHY留在片外的原因。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。

问： 除RJ-45接口外，还需要其它元件吗？

答：需要其它元件。虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局域

网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起

的损坏。

问：10BaseT和100BaseTX PHY实现方式不同的原因何在？

答：两种实现的分组描述本质上是一样的，但两者的信令机制完全不同。其目的是阻止一种硬件实现容易地处理两种

速度。10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。

问：什么是曼彻斯特编码？

答：曼彻斯特编码又称曼彻斯特相位编码，它通过相位变化来实现每个位(图2)。通常，用一个时钟周期中部的上升沿

表示“1”，下降沿表示“0”。周期末端的相位变化可忽略不计，但有时又可能需要将这种相位变化计算在内，这取决于前

一位的值。

问：什么是4B/5B编码？

答：4B/5B编码是一种块编码方式。它将一个4位的块编码成一个5位的块。这就使5位块内永远至少包含2个“1”转

换，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销。

作者：

William Wong

，嵌入式

/

系统

/

软件编辑，《

Electronic Design

》

有关MAC、PHY和MII

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术，基于IEEE制定的IEEE 802.3标准，它规定了包括物理层的连

线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。它很大程度上取代了其他局域网标准，

如令牌环、FDDI和ARCNET。历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至10G以太网正在

国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。基于以太网的应用一定时期内是研究开发热点。

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Ethernet的接口实质是MAC通过MII总线控制PHY的过程。

仅供试用。

1. MAC

MAC是Media Access Control的缩写，即媒体访问控制子层协议。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。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层。以太网MAC由

IEEE-802.3以太网标准定义。

2. MII

MII即媒体独立接口, “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。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:

transmit data - TXD[3:0]

transmit strobe - TX_EN

transmit clock - TX_CLK

transmit error - TX_ER/TXD4

receive data - RXD[3:0]

receive strobe - RX_DV

receive clock - RX_CLK

receive error - RX_ER/RXD4

collision indication - COL

carrier sense - CRS

一般说来，包括:

IC对PHY作读取与写入用的一组信号：MDC(clock),MDIO(data)

做为data sampling reference用的两组clock，频率应为25MHz(TX_CLK,RX_CLK)

各4-bit的输出、输入Bus(TX[0:3],RX[0:3])

通知对方准备输入数据的输出、输入的启动信号(TX_EN)

输出、输入的错误通知信号(TX_ER,RX_ER)

得到有效输入数据的通知信号(RX_DV)

网络出现拥塞的colision信号(Col)

做为carrier回复用的信号(CRS)

电位可使用+5V或+3.3V

MII以4bit,即半字节方式双向传送数据，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，一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。MII界面传递了网络的所有数据

和数据的控制，而MAC对PHY的工作状态的确定和对PHY的控制则是使用SMI（Serial Management Interface）

界面通过读写PHY的寄存器来完成的。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有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。

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。

关于RMII口和MII口的区别：

RMII口是用2根线来传输数据

MII口是用4根线来传输数据

GMII是用8根线来传输数据

MII/RMII只是一种接口，对于10M线速,MII的时钟是2.5M，RMII则是5M；对于100M线速，MII的时钟是25M，

RMII则是50M。

The standard MII features a small set of registers:

* Basic Mode Configuration (#0)

* Status Word (#1)

* PHY Identification (#2, #3)

* Ability Advertisement (#4)

* Link Partner Ability (#5)

* Auto Negotiation Expansion (#6)

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！

3. PHY

PHY是物理接口收发器，它实现物理层。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。

100BaseTX采用4B/5B编码。PHY在发送数据时，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来

说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，

再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。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。如果两个碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突，这时候，冲突

检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，

在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。

通信速率通过双方协商，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为Auto

Negotiation或NWAY。隔离变压器把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

场的转换耦合到连接网线的另外一端。RJ-45中1、2是传送数据的，3、6是接收数据的。新的PHY支持AUTO MDI-X

功能(也需要隔离变压器支持)。它可以实现RJ-45接口的1、2上的传送信号线和3、6上的接收信号线的功能自动

互相交换

网卡工作在osi的最后两层，物理层和数据链路层，物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、

时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。数据链路层则提供寻

址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。以太网卡中数据链路层的

芯片称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线，mac接

phy，phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。

由此可见，MAC 和PHY，一个是数据链路层，一个是物理层；两者通过MII传送数据。

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仅供试用。

网卡的组成工作原理

1.认识网卡，我们上网必备组件之一。

网卡工作在OSI的最后两层：物理层和数据链路层，物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、

时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。数据链路层则提供寻

址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。以太网卡中数据链路层的

芯片称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线，mac接phy，

phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。

下面继续让我们来关心一下PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的。通过IEEE定义的标准的

MII/GigaMII(Media Independed Interfade，介质独立界面)界面连接MAC和PHY。这个界面是IEEE定义的。MII界面

传递了网络的所有数据和数据的控制。而MAC 对PHY的工作状态的确定和对PHY的控制则是使用SMI(Serial

Management Interface)界面通过读写PHY的寄存器来完成的。PHY里面的部分寄存器也是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。

我们看到了，不论是物理连接的MII界面和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有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。

一片网卡主要功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的，还有一颗EEPROM芯片，通常是一颗93C46。里

面记录了网卡芯片的供应商ID、子系统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置，如SMI总线上PHY的地址，

BOOTROM的容量，是否启用BOOTROM引导系统等东西。

很多网卡上还有BOOTROM这个东西。它是用于无盘工作站引导操作系统的。既然无盘，一些引导用必需用到的

程序和协议栈就放到里面了，例如RPL、 PXE等。实际上它就是一个标准的PCI ROM。所以才会有一些硬盘写保护

卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其实PCI设备的ROM是可以放到主板BIOS里面的。启动电脑的时候一样

可以检测到这个ROM并且正确识别它是什么设备的。AGP在配置上和PCI很多地方一样，所以很多显卡的BIOS也

可以放到主板BIOS里面。这就是为什么板载的网卡我们从来没有看到过BOOTROM的原因。

2.工作过程

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据(对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地

址，数据还是CRC)，每4bit就增加 1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则

(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流

程反之。现在来了解PHY的输出后面部分。一颗CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于 0V的(这取

决于芯片的制程和设计需求)，但是这样的信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部

网线直接和芯片相连的话，电磁感应(打雷)和静电，很容易造成芯片的损坏。

再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V

电平和B点的0V电平不一样，这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。我们如何解决这个问题呢？

这时就出现了Transformer(隔离变压器)这个器件。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连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信

号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。

隔离变压器本身就是设计为耐2KV~3KV的电压的。也起到了防雷感应(我个人认为这里用防雷击不合适)保护的作

用。有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很

少有芯片被烧毁的，就是隔离变压器起到了保护作用。

发送数据时，网卡首先侦听介质上是否有载波（载波由电压指示），如果有，则认为其他站点正在传送信息，继续侦

听介质。一旦通信介质在一定时间段内（称为帧间缝隙IFG= 9.6微秒）是安静的，即没有被其他站点占用，则开始进

行帧数据发送，同时继续侦听通信介质，以检测冲突。在发送数据期间，如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并

向介质发送一个“阻塞”信号，告知其他站点已经发生冲突，从而丢弃那些可能一直在接收的受到损坏的帧数据，并等待

一段随机时间（CSMA/CD 确定等待时间的算法是二进制指数退避算法）。在等待一段随机时间后，再进行新的发送。

如果重传多次后（大于16次）仍发生冲突，就放弃发送。

接收时，网卡浏览介质上传输的每个帧，如果其长度小于64字节，则认为是冲突碎片。如果接收到的帧不是冲突

碎片且目的地址是本地地址，则对帧进行完整性校验，如果帧长度大于1518字节（称为超长帧，可能由错误的LAN

驱动程序或干扰造成）或未能通过CRC校验，则认为该帧发生了畸变。通过校验的帧被认为是有效的，网卡将它接收

下来进行本地处理

网卡的原理及测试技术

网卡充当计算机和网络缆线之间的物理接口或连线将计算机中的数字信号转换成电或光信号,称为NIC（ network

interface card ）。数据在计算机总线中传输是并行方式即数据是肩并肩传输的，而在网络的物理缆线中说数据以串行

的比特流方式传输的，网卡承担串行数据和并行数据间的转换。网卡在发送数据前要同接收网卡进行对话以确定最大

可发送数据的大小、发送的数据量的大小、两次发送数据间的间隔、等待确认的时间、每个网卡在溢出前所能承受的

最大数据量、数据传输的速度。

一、网卡的基本构造

网卡包括硬件和固件程序（只读存储器中的软件例程），该固件程序实现逻辑链路控制和媒体访问控制的功能，还记

录唯一的硬件地址即mac地址，网卡上一般有缓存。网卡须分配中断irq及基本i/o端口地址，同时还须设置基本内存

地址（base memory address）和收发器（transceiver）。

网卡的控制芯片是网卡中最重要元件，是网卡的控制中心，有如电脑的cpu，控制着整个网卡的工作，负责数据的的

传送和连接时的信号侦测。早期的10/100m的双速网卡会采用两个控制芯片（单元）分别用来控制两个不同速率环境

下的运算，而目前较先进的产品通常只有一个芯片控制两种速度。

晶体震荡器负责产生网卡所有芯片的运算时钟，其原理就象主板上的晶体震荡器一样，通常网卡是使用20或25hz的

晶体震荡器。

boot rom插槽如无特殊要求网卡中的这个插槽处在空置状态。一般是和boot rom芯片搭配使用，其主要作用是引导电

脑通过服务器引导进入win9x。

boot rom就是启动芯片，让电脑可以在不具备硬盘、软驱和光驱的情况下，直接通过服务器开机，成为一个无硬盘无

软驱的工作站。没有软驱就无法将资料输出，这样也可以达到资料保密的功能。同时，还可以节省下购买这些电脑部

件的费用。在使用boot rom时要注意自己使用何种网络操作系统，通常有boot rom for nt，boot rom for unix，boot rom

for netware等，boot rom启动芯片要自行购买。

eprom从前的老式网卡都要靠设置跳线或是dip开关来设定irq、dma和i/o port等值，而现在的网卡则都使用软件设

定，几乎看不见跳线的存在。各种网卡的状态和网卡的信息等数据都存在这颗小小的eeprom里，通过它来自动设置。

内接式转换器只要有bnc接头的网卡都会有这个芯片，并紧邻在bnc接头旁，它的功能是在网卡和bnc接头之间进行

数据转换，让网卡能通过它从bnc接头送出或接收资料。

rj-45和bnc接头rj-45是采用双绞线作为传输媒介的一种网卡接口，在100mbps网中最常应用。bnc是采用细同轴电

缆作为传输媒介

信号指示灯在网卡后方会有二到三个不等的信号灯，其作用是显示目前网络的连线状态，通常具有tx和rx两个信息。

tx代表正在送出资料，rx代表正在接收资料，若看到两个灯同时亮则代表目前是处于全双工的运作状态，也可由此来

辨别全双工的网卡是否处于全双工的网络环境中（见上图两个接口的中间部分）。也有部分低速网卡只用一个灯来表

示信号，通过不同的灯光变换来表示网络是否导通。

二、网卡的分类

三、网卡测试技术

基于操作系统的测试

网卡一个重要的性能是看其是否支持多种网络操作系统，比较流行的网络操作系统有windowsnt、unix（linux、freebsd、

sco、 solaris、hp厎）、novell、dec等。同时网卡应能够支持多种的网络协议，如tcp/ip、ipx/spx、apple、netbeui 等。

基于主机的兼容性测试

硬件上的兼容性也是非常重要的一个方面，尤其在笔记本电脑上兼容性问题比较突出，根据本人的实际经验，甚至某

些名牌的网卡在一些笔记本电脑上也存在较为严重的兼容性问题。在服务器或台式电脑方面这些问题不常出现。

网卡传输速率测试（数据吞吐量）

测试网卡的传输速率一般有硬件和软件两种方法，硬件是利用一些专用的仪器如网络分析仪、smartbits smartcards等

其他一些设备，利用icmp echo请求和udp数据包来检测数据流量。通常测试的项目有以下几方面：

autonegotiation test

测试网卡速率、全双工/半双工和流控协商。协商决定着是否通过“暂停桢pause frame”来允许流量控制。

arp test

测试网卡是否能对arp请求做出正确回应及是否在规定时间内应答。这个时间由测试者进行设置。

error test

测试网卡处理错误frame的能力，通常在较低的传输速率下进行此项测试（0.5%传输速率），有以下几个方面的测试：

网卡接收正确的frame，作出处理。

网卡接收到存在crc校验错的frame，网卡将其丢弃。

网卡接收到传输顺序错误的frame，网卡将其丢弃。

网卡接收到含有少量错误bits的frame，网卡应全部接收并处理。

网卡接收到超小frame，网卡应将其丢弃。

网卡接收到超长frame，网卡应将其丢弃。

packets loss test

rfc规定测试网卡在各种传输带宽利用率下的处理frame的能力，从初始化数据传输到传输速率的不断变化一直到传输

结束，检查frame的丢失情况。

throughput test

数据吞吐量的测试也是rfc规定的一项测试内容，测试的结果反映出传输的最大带宽的利用率，每秒处理的frame和每

秒处理的bits数量。

back-to-back test

同样此项测试也为rfc-2544的规定，测试在一个设定的最大传输速率下网卡可处理的并发frame的数量。最终反映出

在不丢失数据包的情况下可并发传输的最大frame数量。

利用软件测试通常是利用zd的netbench来测试，一般只利用其测试网卡的最大传输速率。测试时要组成一个网络结

构，一台windowsnt server服务器，若干个windows9x或windowsnt station客户端，传输大容量的文件如100mbps，

测试的结果将反映出网卡的最大传输速率。另一个测试项目是测试网卡对较小的数据包请求的回应能力，这里有必要

讨论一下tcp/ip的ping命令的机制。ping是利用发送和接收icmp echo报文，来检测链路状态和协议设置。数据链路

层封装的是frame，大小在64k~1518k之间，当发送frame时，网卡接受到frame时首先要读取桢头和桢尾的mac

地址，当mac地址相匹配时再接封装读取ip地址。当网卡连续接收到frame时，要对每一个frame做出处理，当网卡

或是系统无法处理这些数据包时，这些数据包将被丢弃。这种情况多发生在连续发送非常小的frame时。ping的机制

是发送一个icmp报文，接收到一个 icmp echo后再发送下一个icmp报文。所以较小的连续的frame会对网卡和系统

造成较大的压力。在netbench中，有一项测试就是测试网卡或系统对连续的小数据包的处理能力。

稳定性测试

一块好的网卡应该具有良好的稳定性，具体讲就是在不同的工作环境下和不同的工况下应具有稳定的表现。通常测试

主要是高温和传输大文件测试。

高温测试一般是在30~35摄氏度下连续运行网卡的测试程序达一定的时间比如2小时以上，检测网卡高温下的稳定性。

pcmcia接口的网卡一般有两种32位的和16位的，前者又称为cardbus网卡，数据带宽由16位增加到32位，使得

pcmcia的网卡发热量成为一个显著的问题。

另一个测试是传输大的文件，某些品质较差的网卡在传输大容量的文件比如2gbps以上的文件时容易出错。

综上所述，在测试一块网卡时要进行全面的软、硬件及兼容性测试，可根据具体的应用和不同的要求，有机的选择测

试项目，正确反映网卡的性能指标。

本文标签： 网卡数据芯片信号控制