Linux网卡驱动分析

以太网(Ethernet)是一种计算机局域网组网技术，基于IEEE 802.3标准，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议。

Ethernet接口的实质是MAC通过MII总线控制PHY的过程。

硬件原理分析

Ethernet网口通常由CPU、MAC和PHY三部分组成，通常用DMA控制器参与网口数据传输，以减轻CPU的负担。有的CPU内部集成MAC控制器，有的则采用外置的MAC芯片。

MII(Media Independent Interface 媒体独立接口)是IEEE 802.3标准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。MII数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道，每条信道拥有数据、时钟和控制信号，共16条信号线。MII管理接口即MDIO接口包含一个时钟信号(MDC)和一个数据信号(MDIO)，通过管理接口，上层能监视和控制PHY。根据IEEE802.3标准定义，MII管理接口最多支持同时管理32个PHY。

CPU/MAC通过MDIO接口（类似于I2C接口，因此PHY拥有PHY ADDR）管理PHY芯片。

MAC和PHY之间的数据传输接口类型有MII/RMII(Reduced MII)/SMII(Stream MII)/GMII几种，根据传输速率(10M/100M/1000M)又有不同细分，比如千兆GMII/RGMII/SGMII。

MDIO

MDIO接口类似于I2C，但是时序上有些区别，它的数据帧格式如下：

每个数据帧64位，LSB先发。

PRE_32: 帧前缀（连续的32个bit，均为1）

ST: 起始信号（2个bit，'01'）

OP: 操作码（2个bit，'10' - read，'01'-write）

PA5: PHY Addr（5个bit的PHY地址域，因此MDIO最多可以管理32个PHY）

RA5: Reg Addr（5个bit的PHY内部寄存器地址，同理，PHY寄存器最多包含32个寄存器）

TA: Turn-around（状态转换域，2个bit，写操作时，输出'10'；读操作时，释放MDIO数据线）

D16: 数据域（16个bit数据域）

MII数据接口

以太网媒体接口类型有MII/RMII/SMII/GMII几种，所有的这些接口都从MII而来，MII(Medium Independent Interface)指不用考虑传输介质类型（铜轴、光纤、电缆等），因为这些传输介质处理的相关工作都由PHY或者MAC芯片实现。MII接口可分为MAC模式和PHY模式，一般说来MAC和PHY对接，但是MAC和MAC也是可以对接的。

MII接口MAC模式

MII接口PHY模式

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。

SMII用1根线来传输数据，RMII用2根线来传输数据，MII用4根线来传输数据，GMII用8根线来传输数据，GMII和RMII都是并行传输且需要随路时钟。

特别介绍一下SGMII(Serial Gigabit Media Independent Interface)，它通常用于GEMAC(Gigabit Ethernet Media Access Controller)即千兆以太网MAC控制器，它是基于GMII实现的，原理是GMII+Serdes，即引入Serdes技术实现串并转换，从而减少数据线的个数。

 

软件架构和驱动代码分析

按照OSI七层协议，MAC工作在数据链路层，PHY工作在物理层。在Linux网络子系统中，IP层、TCP/UDP层及其上的应用层均为软件实现，由内核协议栈和用户态socket代码实现。

网卡驱动的初始化流程可以归纳为：

1）为网络数据收发分配内存（或者更进一步配置DMA直接内存存取）

2）初始化MDIO控制器和MAC控制器

3）通过MDIO接口初始化PHY控制器

4）注册内核网络协议栈接口

5）启动收发