基于以太網PHY的復雜驅動設計

【摘" 要】文章旨在深入研究以太網PHY寄存器的重要性以及其在以太網通信中的作用。討論PHY寄存器的結構、功能以及如何利用這些寄存器進行網絡配置和性能調優。通過對PHY寄存器的詳細分析，更好地理解以太網通信的底層工作原理。

【關鍵詞】PHY寄存器;網絡配置;性能調優

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：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

作者簡介

張志鵬（1990—），男，工程師，主要從事UDS診斷和AUTOSAR基礎軟件開發工作。

以太網是一種廣泛應用于計算機網絡的標準通信協議，其PHY層（Physical Layer，物理層）是協議棧的重要組成部分。以太網協議最早由施樂（Xerox）、英特爾（Intel）和德克薩斯儀器（Texas Instruments）等公司在20世紀70年代末和80年代初共同開發，作為一種用于局域網（LAN）的高效通信協議。它的成功和廣泛應用使得以太網逐漸成為了全球范圍內計算機網絡的主要標準之一。本文將從結構分析、功能解析、配置指南3個方面對以太網PHY寄存器進行研究。

1" PHY寄存器的定義

PHY寄存器（Physical Layer Register）是用于以太網通信的硬件組件之一，通常嵌入在以太網接口控制器（Ethernet Interface Controller）中。PHY寄存器扮演著重要的角色，主要用于管理物理層通信和傳輸。PHY寄存器在以太網通信中的主要作用如下。

1）自動協商（Auto-Negotiation）。PHY寄存器用于協商和選擇適當的通信速度（如10、100、1000Mb/s）和雙工模式（全雙工或半雙工），有助于確保連接的雙方以最佳方式通信，以提供最佳性能和可靠性。

2）連接狀態監測。PHY寄存器可以檢測到連接的狀態，包括鏈路上是否有信號和鏈路是否處于活動狀態，對于網絡設備能夠實時監視連接的健康狀況非常重要。

3）自動MDI/MDIX交叉。PHY寄存器還可自動交換傳輸線對，以適應直連（MDI）和交叉（MDIX）電纜連接，從而消除連接錯誤的情況。

4）調整信號電平。PHY寄存器可以調整發送和接收的信號電平，以確保適當的信號強度和品質，從而降低數據傳輸中的錯誤率。

5）錯誤檢測和糾正。PHY寄存器可檢測傳輸中的錯誤，并在可能的情況下進行錯誤糾正，以確保數據傳輸的可靠性。

2" 寄存器的分類

PHY（物理層）寄存器是在網絡通信中用于配置、控制和監視網絡接口的硬件寄存器。不同類型的PHY寄存器用于不同的目的，包括配置、狀態監視和控制。以下是不同PHY寄存器的簡要介紹。

1）配置寄存器（Configuration Registers）。配置寄存器用于配置PHY的不同參數，以確保網絡接口能夠正常工作。這些參數可能包括速度、雙工模式、自動協商功能等。典型的配置寄存器包括速度控制寄存器、雙工模式控制寄存器、自動協商控制寄存器等。通過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）狀態寄存器（Status Registers）。狀態寄存器用于監視PHY的當前狀態和性能。它們包含有關鏈接狀態、錯誤計數、自動協商狀態等信息。典型的狀態寄存器包括鏈接狀態寄存器、錯誤計數寄存器、自動協商狀態寄存器等。通過讀取狀態寄存器中的位值，可以確定PHY的當前狀態，例如鏈接是否處于活動狀態、是否存在傳輸錯誤等。

3）控制寄存器（Control Registers）。控制寄存器用于對PHY執行特定操作和控制功能。它們通常包含用于啟用或禁用特定功能的位字段。典型的控制寄存器包括復位控制寄存器、電源管理控制寄存器、回環測試控制寄存器等。通過設置或清除控制寄存器中的位值，可以執行操作，如復位PHY、啟用或禁用電源管理功能，進行自我測試等。

3" PHY寄存器的結構

1）位布局（Bit Layout）。PHY寄存器通常是16位或32位。每個位（bit）都有特定的含義和用途，用于配置和控制PHY的各種功能。以下是一個簡化的例子：Bit 15基礎配置位（Basic Configuration Bit）、Bit 14-12速度設置（Speed Setting）、Bit 11-10全雙工/半雙工模式（Full-duplex/Half-duplex Mode）、Bit 9-5保留位（Reserved Bits）、Bit 4自動協商（Auto-Negotiation）、Bit 3重置（Reset）、Bit 2-0速度設置（Speed Setting）。

2）字段定義（Field Definitions）。每個位通常是特定字段的一部分，這些字段具有明確定義的含義。

基礎配置位字段定義：Bit 15，0為10BASE-T協商，1為100BASE-TX協商。

速度設置字段定義：Bit 14-12，000為10Mb/s，001為100Mb/s，其他為保留。

全雙工/半雙工模式字段定義：Bit 11-10，00為自動協商，01為全雙工，10為半雙工，11為保留。

自協商字段定義：Bit 4，0為關閉自協商，1為啟用自協商。

4" PHY寄存器的存儲

PHY（物理層）寄存器通常是用于配置和控制硬件設備的特定寄存器。這些寄存器存儲與硬件物理層功能相關的信息，如網絡接口卡（NIC）或其他通信設備的參數和狀態。PHY寄存器通常與網絡通信有關，例如以太網、USB、WIFI等。下文是PHY寄存器如何存儲和訪問的詳細解釋，包括寄存器堆棧和訪問方法。

4.1" 存儲方式

PHY寄存器是硬件設備內部的特定存儲單元，通常是一組寄存器，這些寄存器包含有關硬件設備的各種參數和狀態信息。每個PHY寄存器通常存儲一個特定的值，例如傳輸速率、鏈路狀態、電力管理設置等。這些寄存器的存儲方式可以是硬件寄存器或者內存中的特殊地址。

4.2" 寄存器堆棧

PHY寄存器通常組織成一個寄存器堆棧，這是一個邏輯上的結構，用于組織和訪問這些寄存器。PHY寄存器堆棧中的每個寄存器都有唯一的地址或索引，允許軟件通過讀取或寫入操作來訪問它們。通常PHY寄存器堆棧的結構是由硬件設備的制造商定義的，并遵循相應的規范。

4.3" 訪問方法

PHY寄存器可以通過編程訪問，通常由驅動程序或操作系統提供的API函數來實現。以下是一些常見的PHY寄存器訪問方法。

1）讀取寄存器。通過向特定地址或索引發送讀取命令，可以獲取PHY寄存器的當前值。讀取的值通常包含有關硬件狀態的信息，如鏈路速度、鏈路狀態、錯誤計數等。

2）寫入寄存器。通過向特定地址或索引發送寫入命令，可以配置PHY寄存器的參數。例如可以設置傳輸速率、啟用或禁用自動協商、設置電力管理選項等。

3）中斷處理。PHY寄存器通常還可以用于生成中斷，以通知系統發生了某些事件，例如鏈路狀態變化、錯誤條件等。中斷處理程序可以讀取相關寄存器以獲取詳細信息，然后采取適當的措施。

4）通過PHY驅動程序。操作系統和硬件設備通常會提供一個PHY驅動程序，用于隱藏寄存器訪問的底層細節，使應用程序能夠更容易地配置和監控PHY寄存器。應用程序可以使用標準API來與PHY驅動程序進行交互，而無需直接訪問PHY寄存器。

5" 寄存器的配置

1）確定PHY型號。首先，需要確定正在使用的PHY芯片的型號。查看硬件文檔或數據表，以查明PHY型號以及與之相關的寄存器。

2）訪問PHY寄存器。PHY芯片通常通過MII（Media Independent Interface，媒體獨立接口）或RMII（Reduced Media Independent Interface，簡化媒體獨立接口）與微控制器或以太網控制器通信。需要使用這些接口來讀取和寫入PHY寄存器。

3）選擇寄存器和位。根據需求，選擇要配置的寄存器和位。每個寄存器通常包含多個位，每個位對應于不同的功能或配置選項。

4）寫入配置值。使用以太網控制器代碼，將所選寄存器的配置值寫入PHY寄存器。這通常涉及設置位的值，以配置所需的參數，如速率、模式和功能。

5）等待配置完成。一旦寫入配置值，PHY芯片會執行相應的配置操作。需要等待一些時間，直到配置完成。

6" 寄存器的應用案例

Ethernet PHY（物理層）芯片的寄存器見表1，用于控制和監測物理層的操作，例如與物理媒介（例如電纜）的通信。具體而言，Basic Control寄存器用于控制和配置 PHY芯片的基本設置，例如速度和雙工模式;Basic Status 寄存器提供有關連接狀態和速度的基本信息;PHY Identifier 1和PHY Identifier 2寄存器包含有關PHY芯片的識別信息;Extended Status寄存器提供更多與PHY芯片狀態有關的信息;Extended Control寄存器用于控制和配置PHY芯片的擴展設置;Configuration 1和Configuration 2寄存器用于配置PHY芯片的各種設置，例如自適應等;Symbol Error Counter寄存器用于計數發生的符號錯誤數;Interrupt Source和Interrupt Mask寄存器用于控制和配置PHY芯片的中斷;Communication Status寄存器提供有關PHY芯片與其他設備進行通信的狀態信息;General Status寄存器提供有關PHY芯片的各種狀態信息;External Status寄存器提供有關外部環境（例如電纜）的狀態信息;Link Fail Counter寄存器用于計數鏈路失敗的次數。

以下函數可用于獲取寄存器訪問權限。

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（）。

這些函數用于與TJA1100 Ethernet PHY芯片進行通信，并獲取或設置其各種功能的配置值。根據函數名和參數，可以大致了解其功能，例如獲取擴展狀態、獲取擴展控制、設置擴展控制、獲取配置1、設置配置1、獲取配置2、設置配置2以及獲取符號錯誤計數器等。這些函數可能用于在應用程序中與TJA1100 PHY芯片進行交互，從而實現對其功能的靈活控制和配置。

7" 結論

以太網PHY是以太網技術的物理層組成部分，負責處理數據的物理傳輸和接收。未來以太網PHY的發展趨勢將主要集中在更高速度、更低功耗、更高效能源利用、更靈活的功能和更好的安全性等方面，以滿足不斷增長的數據傳輸需求和網絡要求，將繼續推動以太網技術的發展和應用。本文深入分析了以太網PHY（物理層）寄存器的結構和功能，幫助讀者更好地理解以太網網絡的物理層組件，并提供了有關如何配置和管理以太網網絡的重要信息。

參考文獻：

[1] 常君，葉丹，王寅冬，等. 車載以太網Link-up Time測試方法[J]. 汽車電器，2023（8）：75-76，79.

[2] 高金輝，汪再興，鄭麗君，等. 100BASS-FX物理層收發器設計與傳真[J]. 沈陽工業大學學報，2023（3）：324-329.

[3] 趙曉龍，陳謙，張宏科. 一種非標準MDID接口的多路千兆PHY驅動[J]. 中國集成電路，2022，31（5）：67-71.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-11-10