网络硬件组成

OSI模型和TCP/IP模型的对比

嵌入式网络硬件分为两部分：MAC 和 PHY。
MAC（Medium Access Control）和PHY（Physical Layer）是计算机网络领域中常见的术语，通常用于描述数据链路层（OSI模型的第二层）中的功能和组件。

MAC（媒体访问控制）

MAC层是数据链路层的一个子层，负责管理和控制网络中的物理介质的访问。它定义了如何在共享介质上进行数据传输，包括如何进行帧的发送和接收、如何进行帧的定界和错误检测等。MAC层通常与特定的网络技术和标准相关联，比如以太网、Wi-Fi等，每种技术都有自己的MAC子层协议。

PHY（物理层）

PHY层也是数据链路层的一个子层，它负责处理物理介质的传输特性，包括传输介质的电气、机械和功能特性。PHY层的功能包括信号的调制解调、时钟恢复、传输介质的驱动和接收等。不同的网络技术使用不同的PHY层标准，例如以太网使用的是IEEE 802.3系列标准，Wi-Fi使用的是IEEE 802.11系列标准。

在网络设备（如网络交换机、路由器、无线接入点等）中，MAC和PHY通常由硬件和固件共同实现，以支持特定的网络通信标准和协议。MAC和PHY之间的接口通常由硬件提供，而它们之间的协作由固件或驱动程序控制。

常见的网络硬件方案

SOC 内部没有网络 MAC 外设

常采用外置的 MAC 芯片，不过一般这种外置的网络芯片都是 MAC+PHY 一体的。比如三星的DM9000 对 SOC 提供了一个 SRAM 接口，SOC 会以 SRAM 的方式操作 DM9000。这种方案为没有内部MAC的SOC提供了解决方案，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，如网络专用 DMA。

SOC 内部集成网络 MAC 外设

其具有专用网络加速模块，可以支持到千兆网速。选择性多，成本低等优点。

MII接口

MII（Media Independent Interface）是一种广泛用于以太网设备之间连接的标准接口。它定义了一组硬件接口规范，使得不同厂商生产的以太网设备可以在物理层上进行连接，并实现数据的传输。

MII接口通常用于连接以太网交换机、网卡、路由器等设备之间，允许它们在数据链路层进行通信。MII接口包括几个信号线，用于传输数据、时钟和控制信息，以及用于检测连接状态和速度的信号。

MII接口的主要特点包括：

独立于物理介质：MII接口与具体的物理传输介质无关，可以用于连接不同类型的以太网设备，如光纤、双绞线等。

统一的接口标准：MII接口的硬件和电气规范由IEEE 802.3标准定义，这使得不同厂商生产的设备可以在接口上实现互操作性。

支持多种速率：MII接口可以支持多种速率，包括10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps等。

简单易用：MII接口的设计相对简单，易于实现和部署，使得以太网设备之间的连接变得简便可靠。

MII（Media Independent Interface）接口通常包括以下几种信号线：

TXD[n]：发送数据线，用于将数据从发送器传输到接收器。

RXD[n]：接收数据线，用于将接收器接收到的数据传输给发送器。

TX_EN：发送使能线，用于指示发送数据是否有效。

RX_ER：接收错误线，用于指示接收到的数据是否有错误。

TX_ER：发送错误线，用于指示发送的数据是否有错误。

COL：冲突线，用于指示是否发生了数据冲突。

CRS：载波检测线，用于检测载波是否存在。

RESET：复位线，用于对MII接口设备进行复位操作。

CLK：时钟线，用于同步发送和接收数据的时钟信号。

RMII 接口

RMII（Reduced Media Independent Interface）接口是一种用于以太网PHY和MAC之间通信的接口标准，它是MII接口的一种简化形式，主要用于嵌入式系统和低成本设备中。

RMII接口采用了较少的引脚，并且降低了时钟速率，以减少成本和复杂性。与MII接口相比，RMII接口只需要4个数据信号线和一个时钟信号线，因此可以节省板上空间，并且更适合于小型设备的设计。

RMII接口的主要信号线包括：

TXD[0:1]：发送数据线，用于将数据从MAC发送到PHY。

RXD[0:1]：接收数据线，用于将数据从PHY发送到MAC。

TXEN：发送使能线，用于指示发送数据是否有效。

RXDV：接收数据有效线，用于指示接收到的数据是否有效。

REF_CLK：参考时钟线，用于传输时钟信号，驱动PHY和MAC之间的数据传输。

RMII接口将原本需要12根信号线的MII接口减少到了仅需5根信号线，这使得RMII接口更加适用于资源有限的嵌入式系统和低成本设备中

MDIO接口

MAC 层通过 MDIO/MDC 总线对 PHY 进行读写操作，MDIO 最多可以控制 32 个 PHY 芯片，通过不同的 PHY 芯片地址来对不同的 PHY 操作。
MDIO：MII管理数据输入/输出线，用于管理和配置MII接口设备。

MDC：MII管理数据时钟线，用于控制MDIO信号的时钟。

RJ45座

RJ45座需要和PHY芯片连接在一起，中间需要一个网络变压器。一般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，两个灯由PHY芯片进行控制。

I.MX6ULL ENET 接口简介

I.MX6ULL 内核集成了两个 10/100Mbit/S 的网络 MAC，符合 IEEE802.3-2002 标准，MAC层支持双工、半双工局域网。
在编写驱动的时候其实并不需要关注 ENET外设的具体内容，因为这部分驱动是 SOC 厂商编写的，重点关注的是更换 PHY 芯片以后需要调整的地方。

PHY芯片的基本介绍

PHY 芯片寄存器地址空间为 5 位，地址 0-31 共 32 个寄存器，IEEE 定义了 0-15 这 16 个寄存器的功能，16~31 这 16 个寄存器由厂商自行实现。

PHY芯片LAN8720A简介

LAN8720A是微芯科技（Microchip Technology）生产的一款高性能、低功耗的嵌入式以太网PHY芯片，常用于嵌入式系统中与微控制器或处理器集成以实现以太网通信功能。

其主要特性包括：

支持IEEE 802.3标准，包括10BASE-T和100BASE-TX以太网协议。
集成了自适应等化器和回声消除器，能够在不同传输介质和距离下实现可靠的通信。
支持MII和RMII两种以太网接口标准，可与不同类型的主控制器进行连接。
低功耗设计，适用于需要长时间运行的嵌入式系统。
内置的自动MDI/MDIX功能，可实现直接连接到交换机或路由器的智能自适应功能。
内置的EEPROM存储器，用于存储芯片配置和校准参数。
提供两种中断模式：主中断模式和复用中断模式

LAN8720A 通过设置 RXER/PHYAD0引脚来设置其 PHY 地址，默认情况下（下拉）为 0，上拉为1。

LAN8720A芯片的配置、

BCR 寄存器
配置 PHY 芯片，重点就是配置 BCR 寄存器。 BCR 寄存器0:7，包括了双工模式，软件复位，速度选择，自动协商，隔离，掉电等功能。。通过读取 BSR寄存器的值我们可以得到当前的连接速度、双工状态和连接状态等

ID寄存器

特殊状态寄存器
重点关注 bit2~bit4 这三位，因为通过这 3 位来确定连接的状态和速度。

Linux 内核网络驱动框架

网络设备驱动不再是对文件进行操作，而是通过网络接口struct net_device来实现。net_device 结构体定义在 include/linux/netdevice.h，这个接口为网络设备提供了统一的数据结构和操作接口，使得不同的硬件可以在软件层次上实现统一。

其次，网络设备驱动的主要功能包括网络设备的初始化、配置、数据包的收发等。在设备驱动功能层，各函数是net_device数据结构的具体成员，负责驱使网络设备硬件完成相应的动作。例如，通过hard_start_xmit（）函数启动发送操作，并通过网络设备上的中断触发接收操作。此外，网络设备驱动还需要处理中断、超时、多播等事件，以及与网络协议栈的交互。

在Linux中，网络驱动子系统被设计成与协议无关，网络驱动只需负责具体的数据收发过程，而上层协议相关内容由内核的网络协议栈完成。这样的设计使得网络驱动可以更加专注于底层硬件的操作和数据传输，而上层协议可以更加灵活地适应不同的网络环境和应用需求。

总之，Linux网络设备驱动是Linux内核中负责网络设备底层数据传输和设备控制的重要组成部分。它通过统一的接口和数据结构实现了多种硬件在软件层次上的统一，为上层协议提供了灵活的支持和丰富的功能。

网络设备驱动的编写步骤

初始化网络设备：
分配一个net_device结构体实例，并对其进行初始化。
设置设备的名称、I/O地址、中断号等。
初始化设备的私有数据（如果需要）。
实现设备的打开和关闭函数。

实现设备的发送和接收函数：
hard_start_xmit：此函数负责将数据包发送到物理设备上。
net_rx 或相应的中断处理函数：处理从物理设备接收到的数据包。

注册网络设备：
使用register_netdevice函数将设备注册到内核中。

处理中断：
实现中断处理函数，处理来自硬件的中断。

实现其他必要的功能：
可能包括配置设备、处理多播、设置和获取统计信息等。