基于以太网PHY的复杂驱动设计

【摘" 要】文章旨在深入研究以太网PHY寄存器的重要性以及其在以太网通信中的作用。讨论PHY寄存器的结构、功能以及如何利用这些寄存器进行网络配置和性能调优。通过对PHY寄存器的详细分析，更好地理解以太网通信的底层工作原理。

【关键词】PHY寄存器;网络配置;性能调优

中图分类号：U463.6" " 文献标识码：A" " 文章编号：1003-8639（ 2024 ）06-0059-03

Complex Driver Design Based on Ethernet PHY

ZHANG Zhipeng，WU Hao，YIN Dongsheng，CAO Lei，HU Haichao，HOU Danning

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】This paper aims to provide an in-depth study of the importance of Ethernet PHY registers and their role in Ethernet communications. We will discuss the structure and function of the PHY registers and how to use these registers for network configuration and performance tuning. Through a detailed analysis of the PHY registers，we can better understand the underlying working principles of Ethernet communication.

【Key words】PHY register;network configuration;performance tuning

作者简介

张志鹏（1990—），男，工程师，主要从事UDS诊断和AUTOSAR基础软件开发工作。

以太网是一种广泛应用于计算机网络的标准通信协议，其PHY层（Physical Layer，物理层）是协议栈的重要组成部分。以太网协议最早由施乐（Xerox）、英特尔（Intel）和德克萨斯仪器（Texas Instruments）等公司在20世纪70年代末和80年代初共同开发，作为一种用于局域网（LAN）的高效通信协议。它的成功和广泛应用使得以太网逐渐成为了全球范围内计算机网络的主要标准之一。本文将从结构分析、功能解析、配置指南3个方面对以太网PHY寄存器进行研究。

1" PHY寄存器的定义

PHY寄存器（Physical Layer Register）是用于以太网通信的硬件组件之一，通常嵌入在以太网接口控制器（Ethernet Interface Controller）中。PHY寄存器扮演着重要的角色，主要用于管理物理层通信和传输。PHY寄存器在以太网通信中的主要作用如下。

1）自动协商（Auto-Negotiation）。PHY寄存器用于协商和选择适当的通信速度（如10、100、1000Mb/s）和双工模式（全双工或半双工），有助于确保连接的双方以最佳方式通信，以提供最佳性能和可靠性。

2）连接状态监测。PHY寄存器可以检测到连接的状态，包括链路上是否有信号和链路是否处于活动状态，对于网络设备能够实时监视连接的健康状况非常重要。

3）自动MDI/MDIX交叉。PHY寄存器还可自动交换传输线对，以适应直连（MDI）和交叉（MDIX）电缆连接，从而消除连接错误的情况。

4）调整信号电平。PHY寄存器可以调整发送和接收的信号电平，以确保适当的信号强度和品质，从而降低数据传输中的错误率。

5）错误检测和纠正。PHY寄存器可检测传输中的错误，并在可能的情况下进行错误纠正，以确保数据传输的可靠性。

2" 寄存器的分类

PHY（物理层）寄存器是在网络通信中用于配置、控制和监视网络接口的硬件寄存器。不同类型的PHY寄存器用于不同的目的，包括配置、状态监视和控制。以下是不同PHY寄存器的简要介绍。

1）配置寄存器（Configuration Registers）。配置寄存器用于配置PHY的不同参数，以确保网络接口能够正常工作。这些参数可能包括速度、双工模式、自动协商功能等。典型的配置寄存器包括速度控制寄存器、双工模式控制寄存器、自动协商控制寄存器等。通过修改配置寄存器中的位值，可以更改PHY的操作模式和性能。

2）状态寄存器（Status Registers）。状态寄存器用于监视PHY的当前状态和性能。它们包含有关链接状态、错误计数、自动协商状态等信息。典型的状态寄存器包括链接状态寄存器、错误计数寄存器、自动协商状态寄存器等。通过读取状态寄存器中的位值，可以确定PHY的当前状态，例如链接是否处于活动状态、是否存在传输错误等。

3）控制寄存器（Control Registers）。控制寄存器用于对PHY执行特定操作和控制功能。它们通常包含用于启用或禁用特定功能的位字段。典型的控制寄存器包括复位控制寄存器、电源管理控制寄存器、回环测试控制寄存器等。通过设置或清除控制寄存器中的位值，可以执行操作，如复位PHY、启用或禁用电源管理功能，进行自我测试等。

3" PHY寄存器的结构

1）位布局（Bit Layout）。PHY寄存器通常是16位或32位。每个位（bit）都有特定的含义和用途，用于配置和控制PHY的各种功能。以下是一个简化的例子：Bit 15基础配置位（Basic Configuration Bit）、Bit 14-12速度设置（Speed Setting）、Bit 11-10全双工/半双工模式（Full-duplex/Half-duplex Mode）、Bit 9-5保留位（Reserved Bits）、Bit 4自动协商（Auto-Negotiation）、Bit 3重置（Reset）、Bit 2-0速度设置（Speed Setting）。

2）字段定义（Field Definitions）。每个位通常是特定字段的一部分，这些字段具有明确定义的含义。

基础配置位字段定义：Bit 15，0为10BASE-T协商，1为100BASE-TX协商。

速度设置字段定义：Bit 14-12，000为10Mb/s，001为100Mb/s，其他为保留。

全双工/半双工模式字段定义：Bit 11-10，00为自动协商，01为全双工，10为半双工，11为保留。

自协商字段定义：Bit 4，0为关闭自协商，1为启用自协商。

4" PHY寄存器的存储

PHY（物理层）寄存器通常是用于配置和控制硬件设备的特定寄存器。这些寄存器存储与硬件物理层功能相关的信息，如网络接口卡（NIC）或其他通信设备的参数和状态。PHY寄存器通常与网络通信有关，例如以太网、USB、WIFI等。下文是PHY寄存器如何存储和访问的详细解释，包括寄存器堆栈和访问方法。

4.1" 存储方式

PHY寄存器是硬件设备内部的特定存储单元，通常是一组寄存器，这些寄存器包含有关硬件设备的各种参数和状态信息。每个PHY寄存器通常存储一个特定的值，例如传输速率、链路状态、电力管理设置等。这些寄存器的存储方式可以是硬件寄存器或者内存中的特殊地址。

4.2" 寄存器堆栈

PHY寄存器通常组织成一个寄存器堆栈，这是一个逻辑上的结构，用于组织和访问这些寄存器。PHY寄存器堆栈中的每个寄存器都有唯一的地址或索引，允许软件通过读取或写入操作来访问它们。通常PHY寄存器堆栈的结构是由硬件设备的制造商定义的，并遵循相应的规范。

4.3" 访问方法

PHY寄存器可以通过编程访问，通常由驱动程序或操作系统提供的API函数来实现。以下是一些常见的PHY寄存器访问方法。

1）读取寄存器。通过向特定地址或索引发送读取命令，可以获取PHY寄存器的当前值。读取的值通常包含有关硬件状态的信息，如链路速度、链路状态、错误计数等。

2）写入寄存器。通过向特定地址或索引发送写入命令，可以配置PHY寄存器的参数。例如可以设置传输速率、启用或禁用自动协商、设置电力管理选项等。

3）中断处理。PHY寄存器通常还可以用于生成中断，以通知系统发生了某些事件，例如链路状态变化、错误条件等。中断处理程序可以读取相关寄存器以获取详细信息，然后采取适当的措施。

4）通过PHY驱动程序。操作系统和硬件设备通常会提供一个PHY驱动程序，用于隐藏寄存器访问的底层细节，使应用程序能够更容易地配置和监控PHY寄存器。应用程序可以使用标准API来与PHY驱动程序进行交互，而无需直接访问PHY寄存器。

5" 寄存器的配置

1）确定PHY型号。首先，需要确定正在使用的PHY芯片的型号。查看硬件文档或数据表，以查明PHY型号以及与之相关的寄存器。

2）访问PHY寄存器。PHY芯片通常通过MII（Media Independent Interface，媒体独立接口）或RMII（Reduced Media Independent Interface，简化媒体独立接口）与微控制器或以太网控制器通信。需要使用这些接口来读取和写入PHY寄存器。

3）选择寄存器和位。根据需求，选择要配置的寄存器和位。每个寄存器通常包含多个位，每个位对应于不同的功能或配置选项。

4）写入配置值。使用以太网控制器代码，将所选寄存器的配置值写入PHY寄存器。这通常涉及设置位的值，以配置所需的参数，如速率、模式和功能。

5）等待配置完成。一旦写入配置值，PHY芯片会执行相应的配置操作。需要等待一些时间，直到配置完成。

6" 寄存器的应用案例

Ethernet PHY（物理层）芯片的寄存器见表1，用于控制和监测物理层的操作，例如与物理媒介（例如电缆）的通信。具体而言，Basic Control寄存器用于控制和配置 PHY芯片的基本设置，例如速度和双工模式;Basic Status 寄存器提供有关连接状态和速度的基本信息;PHY Identifier 1和PHY Identifier 2寄存器包含有关PHY芯片的识别信息;Extended Status寄存器提供更多与PHY芯片状态有关的信息;Extended Control寄存器用于控制和配置PHY芯片的扩展设置;Configuration 1和Configuration 2寄存器用于配置PHY芯片的各种设置，例如自适应等;Symbol Error Counter寄存器用于计数发生的符号错误数;Interrupt Source和Interrupt Mask寄存器用于控制和配置PHY芯片的中断;Communication Status寄存器提供有关PHY芯片与其他设备进行通信的状态信息;General Status寄存器提供有关PHY芯片的各种状态信息;External Status寄存器提供有关外部环境（例如电缆）的状态信息;Link Fail Counter寄存器用于计数链路失败的次数。

以下函数可用于获取寄存器访问权限。

TJA1100_getBasicControl（）、TJA1100_setBasicControl（）、TJA1100_getBasicStatus（）、TJA1100_getPHYIdentifier1（）、TJA1100_getPHYIdentifier2（）、TJA1100_getExtendedStatus（）、

TJA1100_getExtendedControl（）、TJA1100_setExtendedControl（）、TJA1100_getConfiguration1（）、TJA1100_setConfiguration1（）、TJA1100_getConfiguration2（）、TJA1100_setConfiguration2（）、TJA1100_getSymbolErrorCounter（）、TJA1100_getInterruptSource（）、TJA1100_getInterruptMask（）、TJA1100_setInterruptMask（）、JA1100_getCommunicationStatus（）、TJA1100_ getGeneralStatus（）、TJA1100_getExternalStatus（）和TJA1100_ getLinkFailCounter（）。

这些函数用于与TJA1100 Ethernet PHY芯片进行通信，并获取或设置其各种功能的配置值。根据函数名和参数，可以大致了解其功能，例如获取扩展状态、获取扩展控制、设置扩展控制、获取配置1、设置配置1、获取配置2、设置配置2以及获取符号错误计数器等。这些函数可能用于在应用程序中与TJA1100 PHY芯片进行交互，从而实现对其功能的灵活控制和配置。

7" 结论

以太网PHY是以太网技术的物理层组成部分，负责处理数据的物理传输和接收。未来以太网PHY的发展趋势将主要集中在更高速度、更低功耗、更高效能源利用、更灵活的功能和更好的安全性等方面，以满足不断增长的数据传输需求和网络要求，将继续推动以太网技术的发展和应用。本文深入分析了以太网PHY（物理层）寄存器的结构和功能，帮助读者更好地理解以太网网络的物理层组件，并提供了有关如何配置和管理以太网网络的重要信息。

参考文献：

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[3] 赵晓龙，陈谦，张宏科. 一种非标准MDID接口的多路千兆PHY驱动[J]. 中国集成电路，2022，31（5）：67-71.

（编辑" 杨凯麟）

收稿日期：2023-11-10