一文解析以太网PHY和MAC
以太网phy和mac对应osi模型的两个层——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（rgmii / gmii / mii）。
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。
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10baset(第14条)和100basetx(第24条和第25条)的规范。
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mac同时支持10/100/1000mbps速率。通常情况下，它实现mii/gmii/rgmii接口，来同行业标准phy器件实现接口。
问：什么是mii？
答：mii（medium independent interface）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。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。
mii标准接口 用于连快fast ethernet mac-block与phy。“介质无关”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。在其他速率下工作的与 mii等效的接口有：aui（10m 以太网）、gmii（gigabit 以太网）和xaui（10-gigabit 以太网）。
此外还有rmii(reduced mii)、gmii(gigabit mii)、rgmii（reduced gmii）smii等。所有的这些接口都从mii而来，mii是(medium independent interface）的意思，是指不用考虑媒体是铜轴、光纤、电缆等，因为这些媒体处理的相关工作都有phy或者叫做mac的芯片完成。
mii支持10兆和100兆的操作，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是简化的mii接口，在数据的收发上它比mii接口少了一倍的信号线，所以它一般要求是50兆的总线时钟。rmii一般用在多端口的交换机，它不是每个端口安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发，这里就节省了不少的端口数目。rmii的一个端口要求7个数据线，比mii少了一倍，所以交换机能够接入多一倍数据的端口。和 mii一样，rmii支持10兆和100兆的总线接口速度。
smii是由思科提出的一种媒体接口，它有比rmii更少的信号线数目，s表示串行的意思。因为它只用一根信号线传送发送数据，一根信号线传输接受数据，所以在时钟上为了满足100的需求，它的时钟频率很高，达到了125兆，为什么用125兆，是因为数据线里面会传送一些控制信息。smii一个端口仅用4根信号线完成100信号的传输，比起rmii差不多又少了一倍的信号线。smii在工业界的支持力度是很高的。同理，所有端口的数据收发都公用同一个外部的125m时钟。
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。
mii总线
在ieee802.3中规定的mii总线是一种用于将不同类型的phy与相同网络控制器（mac）相连接的通用总线。网络控制器可以用同样的硬件接口与任何phy 。
gmii (gigabit mii)
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：
◇ gtxclk——吉比特tx..信号的时钟信号（125mhz）
◇ txclk——10/100m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）
注：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10/100m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）。
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
◇ mdc——配置接口时钟
◇ mdio——配置接口i/o
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。
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口的问题
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10m线速,mii的速率是2.5m，rmii则是5m；对于100m线速，mii的速率是25m，rmii则是50m。
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！
吉比特以太网物理层协议及接口
吉比特以太网协议的数据链路层与传统的10/100mb/s以太网协议相同，但物理层有所不同。三种协议与osi七层模型的对应关系如图所示。
从图可以看出，吉比特以太网协议与10/100mb /s以太网协议的差别仅仅在于物理层。图中的phy表示实现物理层协议的芯片；协调子层（reconciliation sublayer）用于实现指令转换；mii（介质无关接口）／gmii（吉比特介质无关接口）是物理层芯片与实现上层协议的芯片的接口；mdi（介质相关接口）是物理层芯片与物理介质的接口；pcs、pma和pmd则分别表示实现物理层协议的各子层。在实际应用系统中，这些子层的操作细节将全部由phy 芯片实现，只需对mii和mdi接口进行设计与操作即可。
吉比特以太网的物理层接口标准主要有四种：gmii、 rgmii（reduced gmii）、tbi（ten-bit interface）和rtbi（reduced tbi）。gmii是标准的吉比特以太网接口，它位于mac层与物理层之间。对于tbi接口，图1中pcs子层的功能将由mac层芯片实现，在降低phy 芯片复杂度的同时，控制线也比gmii接口少。rgmii和rtbi两种接口使每根数据线上的传输速率加倍，数据线数目减半。
网卡
phy和mac是网卡的主要组成部分，网卡一般用 rj-45插口，10m网卡的rj-45插口也只用了1、2、3、6四根针，而100m或1000m网卡的则是八根针都是全的。除此以外，还需要其它元件，因为虽然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。
网卡的功能主要有两个:一是将电脑的数据封装为帧，并通过网线(对无线网络来说就是电磁波)将数据发送到网络上去;二是接收网络上其它设备传过来的帧，并将帧重新组合成数据，发送到所在的电脑中。网卡能接收所有在网络上传输的信号，但正常情况下只接受发送到该电脑的帧和广播帧，将其余的帧丢弃。然后，传送到系统cpu做进一步处理。当电脑发送数据时，网卡等待合适的时间将分组插入到数据流中。接收系统通知电脑消息是否完整地到达，如果出现问题，将要求对方重新发送。
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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（rgmii / gmii / mii）。
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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10baset(第14条)和100basetx(第24条和第25条)的规范。
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mac同时支持10/100/1000mbps速率。通常情况下，它实现mii/gmii/rgmii接口，来同行业标准phy器件实现接口。
问：什么是mii？
答：mii（medium independent interface）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。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。
mii标准接口 用于连快fast ethernet mac-block与phy。“介质无关”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。在其他速率下工作的与 mii等效的接口有：aui（10m 以太网）、gmii（gigabit 以太网）和xaui（10-gigabit 以太网）。
此外还有rmii(reduced mii)、gmii(gigabit mii)、rgmii（reduced gmii）smii等。所有的这些接口都从mii而来，mii是(medium independent interface）的意思，是指不用考虑媒体是铜轴、光纤、电缆等，因为这些媒体处理的相关工作都有phy或者叫做mac的芯片完成。
mii支持10兆和100兆的操作，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是简化的mii接口，在数据的收发上它比mii接口少了一倍的信号线，所以它一般要求是50兆的总线时钟。rmii一般用在多端口的交换机，它不是每个端口安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发，这里就节省了不少的端口数目。rmii的一个端口要求7个数据线，比mii少了一倍，所以交换机能够接入多一倍数据的端口。和 mii一样，rmii支持10兆和100兆的总线接口速度。
smii是由思科提出的一种媒体接口，它有比rmii更少的信号线数目，s表示串行的意思。因为它只用一根信号线传送发送数据，一根信号线传输接受数据，所以在时钟上为了满足100的需求，它的时钟频率很高，达到了125兆，为什么用125兆，是因为数据线里面会传送一些控制信息。smii一个端口仅用4根信号线完成100信号的传输，比起rmii差不多又少了一倍的信号线。smii在工业界的支持力度是很高的。同理，所有端口的数据收发都公用同一个外部的125m时钟。
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。
mii总线
在ieee802.3中规定的mii总线是一种用于将不同类型的phy与相同网络控制器（mac）相连接的通用总线。网络控制器可以用同样的硬件接口与任何phy 。
gmii (gigabit mii)
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：
◇ gtxclk——吉比特tx..信号的时钟信号（125mhz）
◇ txclk——10/100m信号时钟
◇ txd[7..0]——被发送数据
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注：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10/100m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）。
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
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管理配置
◇ mdc——配置接口时钟
◇ mdio——配置接口i/o
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。
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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口的问题
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10m线速,mii的速率是2.5m，rmii则是5m；对于100m线速，mii的速率是25m，rmii则是50m。
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！
吉比特以太网物理层协议及接口
吉比特以太网协议的数据链路层与传统的10/100mb/s以太网协议相同，但物理层有所不同。三种协议与osi七层模型的对应关系如图所示。
从图可以看出，吉比特以太网协议与10/100mb /s以太网协议的差别仅仅在于物理层。图中的phy表示实现物理层协议的芯片；协调子层（reconciliation sublayer）用于实现指令转换；mii（介质无关接口）／gmii（吉比特介质无关接口）是物理层芯片与实现上层协议的芯片的接口；mdi（介质相关接口）是物理层芯片与物理介质的接口；pcs、pma和pmd则分别表示实现物理层协议的各子层。在实际应用系统中，这些子层的操作细节将全部由phy 芯片实现，只需对mii和mdi接口进行设计与操作即可。
吉比特以太网的物理层接口标准主要有四种：gmii、 rgmii（reduced gmii）、tbi（ten-bit interface）和rtbi（reduced tbi）。gmii是标准的吉比特以太网接口，它位于mac层与物理层之间。对于tbi接口，图1中pcs子层的功能将由mac层芯片实现，在降低phy 芯片复杂度的同时，控制线也比gmii接口少。rgmii和rtbi两种接口使每根数据线上的传输速率加倍，数据线数目减半。
网卡
phy和mac是网卡的主要组成部分，网卡一般用 rj-45插口，10m网卡的rj-45插口也只用了1、2、3、6四根针，而100m或1000m网卡的则是八根针都是全的。除此以外，还需要其它元件，因为虽然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。
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