关于嵌入式Linux的网络接口设计
1.1 嵌入式网络简介1.1.1 嵌入式下的网络硬件接口提起网络，我们一般想到的硬件就是“网卡”，现在网卡已经是通过一个芯片来完成了，嵌入式网络硬件分为两部分：mac和phy，大家都是通过看数据手册来判断一款soc是否支持网络，如果一款芯片数据手册说自己支持网络，一般都是说的这款soc内置mac，mac类似i2c控制器、spi控制器一样的外设。
但是光有mac还不能直接驱动网络，还需要另外一个芯片：phy，因此对于内置mac的soc，其外部必须搭配一个phy芯片。内部没有mac的soc芯片，就需要使用外置的mac+phy一体芯片了，这里就要牵扯出常见的两个嵌入式网络硬件方案了。
1.soc内部没有网络mac外设对于内部没有mac的soc芯片，可以使用外置 mac+phy一体的网络芯片来实现网络功能。比如三星linux开发板里面用的最多的dm9000，dm9000对soc提供了一个sram接口，soc会以sram的方式操作dm9000。
有些外置的网络芯片更强大，内部甚至集成了硬件tcp/ip协议栈，对外提供一个spi接口，比如w5500。这个一般用于单片机领域，单片机通过spi接口与w5500进行通信，由于w5500内置了硬件tcp/ip协议栈，因此单片机就不需要移植软件协议栈，直接通过spi来操作w5500，简化了单片机联网方案。
这种方案的优点就是让不支持网络的soc能够另辟蹊径，实现网络功能，但是缺点就是网络效率不高，因为一般芯片内置的mac会有网络加速引擎，比如网络专用dma，网络处理效率会很高。而且此类芯片网速都不快，基本就是10/100m。另外，相比phy芯片而言，此类芯片的成本也比较高，可选择比较少。
soc与外部mac+phy芯片的连接如图1-1所示：
图1-1 主控soc与外置mac+phy芯片连接
2.soc内部集成网络mac外设我们一般说某个soc支持网络，说的就是他内部集成网络mac外设，此时我们还需要外接一个网络phy芯片。。
目前几乎所有支持网络的soc都是内置mac外设，比如stm32f4/f7/h7系列、nxp的i.mx系列，内部集成网络mac的优点如下：
1）内部mac外设会有专用的加速模块，比如专用的dma，加速网速数据的处理。
2）网速快，可以支持10/100/1000m网速。
3）外接phy可选择性多，成本低。
内部的mac外设会通过mii或者rmii接口来连接外部的phy芯片，mii/rmii接口用来传输网络数据。另外主控需要配置或读取phy芯片，也就是读写phy的内部寄存器，所以还需要一个控制接口，叫做mido，mdio很类似iic，也是两根线，一根数据线叫做mdio，一根时钟线叫做mdc。
soc内部mac外设与外部phy芯片的连接如图1-2所示：
图1-2 内部mac与外部phy之间的连接
大家在做项目的时候，如果要用到网络功能，强烈建议大家选择内部带有网络mac外设的主控soc！i.mx6ull就有两个10m/100m的网络mac外设，正点原子alpha开发板板载了两颗phy芯片，型号为lan8720。因此，本章节只讲解soc内部mac+外置phy芯片这种方案。
1.1.2 mii/rmii接口前面我们说了，内部mac通过mii/rmii接口来与外部的phy芯片连接，完成网络数据传输，本节我们就来学习一下什么是mii和rmii接口。
1.mii接口mii全称是media independent interface，直译过来就是介质独立接口，它是ieee-802.3定义的以太网标准接口，mii接口用于以太网mac连接phy芯片，连接示意图如图1-3所示：
图1-3 mii接口
mii接口一共有16根信号线，含义如下：
tx_clk：发送时钟，如果网速为100m的话时钟频率为25mhz，10m网速的话时钟频率为2.5mhz，此时钟由phy产生并发送给mac。
tx_en：发送使能信号。
tx_er：发送错误信号，高电平有效，表示tx_er有效期内传输的数据无效。10mpbs网速下tx_er不起作用。
txd[3:0]：发送数据信号线，一共4根。
rxd[3:0]：接收数据信号线，一共4根。
rx_clk：接收时钟信号，如果网速为100m的话时钟频率为25mhz，10m网速的话时钟频率为2.5mhz，rx_clk也是由phy产生的。
rx_er：接收错误信号，高电平有效，表示rx_er有效期内传输的数据无效。10mpbs网速下rx_er不起作用。
rx_dv：接收数据有效，作用类似tx_en。
crs：载波侦听信号。
col：冲突检测信号。
mii接口的缺点就是所需信号线太多，这还没有算mdio和mdc这两根管理接口的数据线，因此mii接口使用已经越来越少了。
2.rmii接口rmii全称是reduced media independent interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是mii接口的精简版本。rmii接口只需要7根数据线，相比mii直接减少了9根，极大的方便了板子布线，rmii接口连接phy芯片的示意图如图1-4所示：
图1-4 rmii接口
tx_en：发送使能信号。
txd[1:0]：发送数据信号线，一共2根。
rxd[1:0]：接收数据信号线，一共2根。
crs_dv：相当于mii接口中的rx_dv和crs这两个信号的混合。
ref_clk：参考时钟，由外部时钟源提供， 频率为50mhz。这里与mii不同，mii的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由phy芯片提供的。
除了mii和rmii以外，还有其他接口，比如gmii、rgmii、smii、smii等，关于其他接口基本都是大同小异的，这里就不做讲解了。正点原子alpah开发板上的两个网口都是采用rmii接口来连接mac与外部phy芯片。
1.1.3 mdio接口mdio全称是management data input/output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，一根mdio数据线，一根mdc时钟线。驱动程序可以通过mdio和mdc这两根线访问phy芯片的任意一个寄存器。mdio接口支持多达32个phy。同一时刻内只能对一个phy进行操作，那么如何区分这32个phy芯片呢？和iic一样，使用
器件地址即可。同一mdio接口下的所有phy芯片，其器件地址不能冲突，必须保证唯一，具体器件地址值要查阅相应的phy数据手册。
因此，mac和外部phy芯片进行连接的时候主要是mii/rmii和mdio接口，另外可能还需要复位、中断等其他引脚。
1.1.4 rj45接口网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的叫做rj45座，如图1-5所示：
图1-5 rj45座子
rj45座要与phy芯片连接在一起，但是中间需要一个网络变压器，网络变压器用于隔离以及滤波等，网络变压器也是一个芯片，外形一般如图1-6所示：
图1-6 网络变压器
但是现在很多rj45座子内部已经集成了网络变压器，比如最常用的hr911105a就是内置网络变压器的rj45座。内置网络变压器的rj45座和不内置的引脚一样，但是一般不内置的rj45座会短一点。
因此，大家在画板的时候一定要考虑你所使用的rj45座是否内置网络变压器，如果不内置的话就要自行添加网络变压器部分电路！同理，如果你所设计的硬件是需要内置网络变压器的rj45座，肯定不能随便焊接一个不内置变压器的rj45座，否则网络工作不正常！
rj45座子上一般有两个灯，一个黄色(橙色)，一个绿色，绿色亮的话表示网络连接正常，黄色闪烁的话说明当前正在进行网络通信。这两个灯由phy芯片控制，phy芯片会有两个引脚来连接rj45座上的这两个灯。内部mac+外部phy+rj45座(内置网络变压器)就组成了一个完整的嵌入式网络接口硬件，如图1-7所示：
图1-7 嵌入式网络硬件接口示意图
1.1.5 phy芯片基础知识phy是ieee 802.3规定的一个标准模块，前面说了，soc可以对phy进行配置或者读取phy相关状态，这个就需要phy内部寄存器去实现。phy芯片寄存器地址空间为5位，地址 031共32个寄存器，ieee定义了015这16个寄存器的功能，16~31这16个寄存器由厂商自行实现。
也就是说不管你用的哪个厂家的phy芯片，其中0~15这16个寄存器是一模一样的。仅靠这16个寄存器是完全可以驱动起phy芯片的，至少能保证基本的网络数据通信，因此linux内核有通用phy驱动，按道理来讲，不管你使用的哪个厂家的phy芯片，都可以使用linux的这个通用phy驱动来验证网络工作是否正常。
事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致linux内核的通用phy驱动工作不正常，这个时候就需要驱动开发人员去调试了。但是，随着现在的phy芯片性能越来越强大，32个寄存器可能满足不了厂商的需求，因此很多厂商采用分页技术来扩展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。
这些多出来的寄存器可以用于实现厂商特有的一些技术，因此linux内核的通用phy驱动就无法驱动这些特色功能了，这个时候就需要phy厂商提供相应的驱动源码了，所以大家也会在linux内核里面看到很多具体的phy芯片驱动源码。
不管你的phy芯片有多少特色功能，按道理来讲，linux内核的通用phy驱动是绝对可以让你这phy芯片实现基本的网络通信，因此大家也不用担心更换phy芯片以后网络驱动编写是不是会很复杂。
ieee802.3协议英文原版中的 “22.2.4 management functions”章节，此章节对phy的前16个寄存器功能进行了规定，如图1-8所示：
图1-8 ieee规定的前16个寄存器
关于这16个寄存器的内容协议里面也进行了详细的讲解，这里就不分析了。大家可以找个具体的phy芯片数据手册对比看一下，比如百m网络最常用的lan8720a这个phy，大家可以看一下lan8720前面几个寄存器结构是否和图1-8中的一样。
关于嵌入式linux的网络接口设计就讲到这里。
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但是光有mac还不能直接驱动网络，还需要另外一个芯片：phy，因此对于内置mac的soc，其外部必须搭配一个phy芯片。内部没有mac的soc芯片，就需要使用外置的mac+phy一体芯片了，这里就要牵扯出常见的两个嵌入式网络硬件方案了。
1.soc内部没有网络mac外设对于内部没有mac的soc芯片，可以使用外置 mac+phy一体的网络芯片来实现网络功能。比如三星linux开发板里面用的最多的dm9000，dm9000对soc提供了一个sram接口，soc会以sram的方式操作dm9000。
有些外置的网络芯片更强大，内部甚至集成了硬件tcp/ip协议栈，对外提供一个spi接口，比如w5500。这个一般用于单片机领域，单片机通过spi接口与w5500进行通信，由于w5500内置了硬件tcp/ip协议栈，因此单片机就不需要移植软件协议栈，直接通过spi来操作w5500，简化了单片机联网方案。
这种方案的优点就是让不支持网络的soc能够另辟蹊径，实现网络功能，但是缺点就是网络效率不高，因为一般芯片内置的mac会有网络加速引擎，比如网络专用dma，网络处理效率会很高。而且此类芯片网速都不快，基本就是10/100m。另外，相比phy芯片而言，此类芯片的成本也比较高，可选择比较少。
soc与外部mac+phy芯片的连接如图1-1所示：
图1-1 主控soc与外置mac+phy芯片连接
2.soc内部集成网络mac外设我们一般说某个soc支持网络，说的就是他内部集成网络mac外设，此时我们还需要外接一个网络phy芯片。。
目前几乎所有支持网络的soc都是内置mac外设，比如stm32f4/f7/h7系列、nxp的i.mx系列，内部集成网络mac的优点如下：
1）内部mac外设会有专用的加速模块，比如专用的dma，加速网速数据的处理。
2）网速快，可以支持10/100/1000m网速。
3）外接phy可选择性多，成本低。
内部的mac外设会通过mii或者rmii接口来连接外部的phy芯片，mii/rmii接口用来传输网络数据。另外主控需要配置或读取phy芯片，也就是读写phy的内部寄存器，所以还需要一个控制接口，叫做mido，mdio很类似iic，也是两根线，一根数据线叫做mdio，一根时钟线叫做mdc。
soc内部mac外设与外部phy芯片的连接如图1-2所示：
图1-2 内部mac与外部phy之间的连接
大家在做项目的时候，如果要用到网络功能，强烈建议大家选择内部带有网络mac外设的主控soc！i.mx6ull就有两个10m/100m的网络mac外设，正点原子alpha开发板板载了两颗phy芯片，型号为lan8720。因此，本章节只讲解soc内部mac+外置phy芯片这种方案。
1.1.2 mii/rmii接口前面我们说了，内部mac通过mii/rmii接口来与外部的phy芯片连接，完成网络数据传输，本节我们就来学习一下什么是mii和rmii接口。
1.mii接口mii全称是media independent interface，直译过来就是介质独立接口，它是ieee-802.3定义的以太网标准接口，mii接口用于以太网mac连接phy芯片，连接示意图如图1-3所示：
图1-3 mii接口
mii接口一共有16根信号线，含义如下：
tx_clk：发送时钟，如果网速为100m的话时钟频率为25mhz，10m网速的话时钟频率为2.5mhz，此时钟由phy产生并发送给mac。
tx_en：发送使能信号。
tx_er：发送错误信号，高电平有效，表示tx_er有效期内传输的数据无效。10mpbs网速下tx_er不起作用。
txd[3:0]：发送数据信号线，一共4根。
rxd[3:0]：接收数据信号线，一共4根。
rx_clk：接收时钟信号，如果网速为100m的话时钟频率为25mhz，10m网速的话时钟频率为2.5mhz，rx_clk也是由phy产生的。
rx_er：接收错误信号，高电平有效，表示rx_er有效期内传输的数据无效。10mpbs网速下rx_er不起作用。
rx_dv：接收数据有效，作用类似tx_en。
crs：载波侦听信号。
col：冲突检测信号。
mii接口的缺点就是所需信号线太多，这还没有算mdio和mdc这两根管理接口的数据线，因此mii接口使用已经越来越少了。
2.rmii接口rmii全称是reduced media independent interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是mii接口的精简版本。rmii接口只需要7根数据线，相比mii直接减少了9根，极大的方便了板子布线，rmii接口连接phy芯片的示意图如图1-4所示：
图1-4 rmii接口
tx_en：发送使能信号。
txd[1:0]：发送数据信号线，一共2根。
rxd[1:0]：接收数据信号线，一共2根。
crs_dv：相当于mii接口中的rx_dv和crs这两个信号的混合。
ref_clk：参考时钟，由外部时钟源提供， 频率为50mhz。这里与mii不同，mii的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由phy芯片提供的。
除了mii和rmii以外，还有其他接口，比如gmii、rgmii、smii、smii等，关于其他接口基本都是大同小异的，这里就不做讲解了。正点原子alpah开发板上的两个网口都是采用rmii接口来连接mac与外部phy芯片。
1.1.3 mdio接口mdio全称是management data input/output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，一根mdio数据线，一根mdc时钟线。驱动程序可以通过mdio和mdc这两根线访问phy芯片的任意一个寄存器。mdio接口支持多达32个phy。同一时刻内只能对一个phy进行操作，那么如何区分这32个phy芯片呢？和iic一样，使用
器件地址即可。同一mdio接口下的所有phy芯片，其器件地址不能冲突，必须保证唯一，具体器件地址值要查阅相应的phy数据手册。
因此，mac和外部phy芯片进行连接的时候主要是mii/rmii和mdio接口，另外可能还需要复位、中断等其他引脚。
1.1.4 rj45接口网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的叫做rj45座，如图1-5所示：
图1-5 rj45座子
rj45座要与phy芯片连接在一起，但是中间需要一个网络变压器，网络变压器用于隔离以及滤波等，网络变压器也是一个芯片，外形一般如图1-6所示：
图1-6 网络变压器
但是现在很多rj45座子内部已经集成了网络变压器，比如最常用的hr911105a就是内置网络变压器的rj45座。内置网络变压器的rj45座和不内置的引脚一样，但是一般不内置的rj45座会短一点。
因此，大家在画板的时候一定要考虑你所使用的rj45座是否内置网络变压器，如果不内置的话就要自行添加网络变压器部分电路！同理，如果你所设计的硬件是需要内置网络变压器的rj45座，肯定不能随便焊接一个不内置变压器的rj45座，否则网络工作不正常！
rj45座子上一般有两个灯，一个黄色(橙色)，一个绿色，绿色亮的话表示网络连接正常，黄色闪烁的话说明当前正在进行网络通信。这两个灯由phy芯片控制，phy芯片会有两个引脚来连接rj45座上的这两个灯。内部mac+外部phy+rj45座(内置网络变压器)就组成了一个完整的嵌入式网络接口硬件，如图1-7所示：
图1-7 嵌入式网络硬件接口示意图
1.1.5 phy芯片基础知识phy是ieee 802.3规定的一个标准模块，前面说了，soc可以对phy进行配置或者读取phy相关状态，这个就需要phy内部寄存器去实现。phy芯片寄存器地址空间为5位，地址 031共32个寄存器，ieee定义了015这16个寄存器的功能，16~31这16个寄存器由厂商自行实现。
也就是说不管你用的哪个厂家的phy芯片，其中0~15这16个寄存器是一模一样的。仅靠这16个寄存器是完全可以驱动起phy芯片的，至少能保证基本的网络数据通信，因此linux内核有通用phy驱动，按道理来讲，不管你使用的哪个厂家的phy芯片，都可以使用linux的这个通用phy驱动来验证网络工作是否正常。
事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致linux内核的通用phy驱动工作不正常，这个时候就需要驱动开发人员去调试了。但是，随着现在的phy芯片性能越来越强大，32个寄存器可能满足不了厂商的需求，因此很多厂商采用分页技术来扩展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。
这些多出来的寄存器可以用于实现厂商特有的一些技术，因此linux内核的通用phy驱动就无法驱动这些特色功能了，这个时候就需要phy厂商提供相应的驱动源码了，所以大家也会在linux内核里面看到很多具体的phy芯片驱动源码。
不管你的phy芯片有多少特色功能，按道理来讲，linux内核的通用phy驱动是绝对可以让你这phy芯片实现基本的网络通信，因此大家也不用担心更换phy芯片以后网络驱动编写是不是会很复杂。
ieee802.3协议英文原版中的 “22.2.4 management functions”章节，此章节对phy的前16个寄存器功能进行了规定，如图1-8所示：
图1-8 ieee规定的前16个寄存器
关于这16个寄存器的内容协议里面也进行了详细的讲解，这里就不分析了。大家可以找个具体的phy芯片数据手册对比看一下，比如百m网络最常用的lan8720a这个phy，大家可以看一下lan8720前面几个寄存器结构是否和图1-8中的一样。
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