Linux网络子系统之---- PHY 配置

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MII即媒体独立接口，也叫介质无关接口。

它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口(图1)。

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。

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。

GMII (Gigabit MII)

GMII是8bit并行同步收发接口，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IEEE802.3-2000。

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 ------- mii 为4，所以一个信道是8，两个是16

◇ 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 802.3,2000-22.2.4Management Functions”中规定了用途，其余的则由各器件自己指定。

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。

SGMII--Serial Gigabit Media IndependentInterface

SGMII是PHY与MAC之间的接口，类似与GMII和RGMII，只不过GMII和RGMII都是并行的，而且需要随路时钟，PCB布线相对麻烦，而且不适应背板应用。

而SGMII是串行的，不需要提供另外的时钟，MAC和PHY都需要CDR去恢复时钟。另外SGMII是有8B/10b编码的，速率是1.25G

在 linux 配置PHY

drivers/net/phy

配置的参数自适应， 1000M，全双工。

phydev-> autonet, speed, duplex.

1. MDIO简介

The MDIO interface is a simple, two-wire, serial interface to connect a management entity and a managed PHY for the purposes of controlling the PHY and gathering status from the PHY.
The two lines include the MDC line [Management Data Clock], and the MDIO line [Management Data Input/Output]. The clock is point-to-point, while the data line is a bi-directional multi-drop interface.
The data line is Tri-state able and can drive 32 devices.

MDIO接口，MAC与PHY间的管理接口（MII是数据接口），有2根线：时钟线MDC，数据线MDIO（双向）

   MDIO工作流程：
    * Preamle(PRE)       在没有传输数据的空闲状态时，数据线MDIO处于高阻态（一直为1）。
    * Start of Frame(ST) MAC驱动MDIO线，出现一个2bit的开始标识码(01)。
    * Operation Code(OP) MAC驱动MDIO线，出现一个2bit数据来标识是读操作(10)还是写操作(01)。
    * PHY Address(PHYAD) MAC驱动MDIO线，出现一个5bit数据标识PHY的地址。
    * Reg Address(REGAD) MAC驱动MDIO线，出现一个5bitPHY寄存器地址。
    * Turnaround(TA)     写操作的话，MAC驱动MDIO线，出现10
                         读操作的话，MDIO pin of MAC must be put in high-impedance state
                                     在第二个周期，PHY驱动MDIO线，出现0

* Data MDIO串行读出/写入16bit的寄存器数据。

* MDIO恢复成空闲状态，同时MDIO进入高阻状态。

下面是PHY芯片 BCM5461 的一个例子：

2. PowerPC对MDIO的支持

PowerPC操作MDIO时，涉及以下寄存器:
MIIMCFG 配置寄存器
MIIMCOM 命令寄存器
MIIMADD 地址寄存器
MIIMCON 控制寄存器
MIIMSTAT 状态寄存器
MIIMIND 指示寄存器

以MPC8560举例，这些寄存器在CCSR中的位置如下：

2.1 MIIMCFG：配置寄存器

ResetMgmt：用于重置MDIO模块
MgmtClockSet：时钟设置，是CCB的 2的n次方之一

2.2 MIIMCOM 命令寄存器

ReadCycle： 0->1 触发MDIO读时序

2.3 MIIMADD 地址寄存器

PHYaddr：PHY地址，共5bit，系统最多联31个PHY（地址0为保留）
REGaddr：寄存器地址，共5bit，一个PHY上最多32个寄存器地址（可以使用shadow value技术，访问更多的寄存器）

2.4 MIIMCON 控制寄存器

PHYcontrol：在写流程时，这里存放要写入寄存器的值

2.5 MIIMSTAT 状态寄存器

PHYstatus：读流程时，PHY reg的内容会放到此

2.6 MIIMIND 指示寄存器

NotVal：若置1，表示读流程结束，可以去读MIIMSTAT
Scan：若置1，表示扫描流程进行中
Busy：只有置0时，才能进行新的读写流程

3. linux中MDIO的实现

读写PHY寄存器时通过2个函数

phy_read()和phy_write()，

最终调用
int gfar_local_mdio_read(struct gfar_mii *regs, int mii_id, int regnum)
int gfar_local_mdio_write(struct gfar_mii *regs, int mii_id, int regnum, u16 value)

参数regs就是MDIO相关寄存器：

struct gfar_mii {
u32 miimcfg; /* 0x.520 - MII Management Config Register */
u32 miimcom; /* 0x.524 - MII Management Command Register */
u32 miimadd; /* 0x.528 - MII Management Address Register */
u32 miimcon; /* 0x.52c - MII Management Control Register */
u32 miimstat; /* 0x.530 - MII Management Status Register */
u32 miimind; /* 0x.534 - MII Management Indicator Register */
};

参数mii_id，就是PHY的id
参数regnum，就是寄存器地址

上代码，简单不解释

int gfar_local_mdio_read(struct gfar_mii *regs, int mii_id, int regnum)
{
u16 value;
/* Set the PHY address and the register address we want to read */
gfar_write(&regs->miimadd, (mii_id << 8) | regnum);
/* Clear miimcom, and then initiate a read */
gfar_write(&regs->miimcom, 0);
gfar_write(&regs->miimcom, MII_READ_COMMAND);
/* Wait for the transaction to finish */
while (gfar_read(&regs->miimind) & (MIIMIND_NOTVALID | MIIMIND_BUSY))
cpu_relax();
/* Grab the value of the register from miimstat */
value = gfar_read(&regs->miimstat);
return value;
}

int gfar_local_mdio_write(struct gfar_mii *regs, int mii_id,
int regnum, u16 value)
{
/* Set the PHY address and the register address we want to write */
gfar_write(&regs->miimadd, (mii_id << 8) | regnum);
/* Write out the value we want */
gfar_write(&regs->miimcon, value);
/* Wait for the transaction to finish */
while (gfar_read(&regs->miimind) & MIIMIND_BUSY)
cpu_relax();
return 0;
}

内核启动时的准备工作

4.1 初始化网络相关的全局数据结构，并挂载处理网络相关软中断的钩子函数
start_kernel()
    --> rest_init()
        --> do_basic_setup()
            --> do_initcall
               -->net_dev_init

__init net_dev_init()
{
    //每个CPU都有一个CPU私有变量 _get_cpu_var(softnet_data)
    //_get_cpu_var(softnet_data).poll_list很重要，软中断中需要遍历它的
    for_each_possible_cpu(i) {
        struct softnet_data *queue;
        queue = &per_cpu(softnet_data, i);
        skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
        queue->completion_queue = NULL;
      INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list);
        queue->backlog.poll = process_backlog;
        queue->backlog.weight = weight_p;
    }
    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL); //在软中断上挂网络发送handler
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL); //在软中断上挂网络接收handler
}
   4.2 加载网络设备的驱动
NOTE：这里的网络设备是指MAC层的网络设备，即TSEC和PCI网卡（bcm5461是phy）
在网络设备驱动中创建net_device数据结构，并初始化其钩子函数 open(),close() 等
挂载TSEC的驱动的入口函数是 gfar_probe

// 平台设备 TSEC 的数据结构
static struct platform_driver gfar_driver = {
    .probe = gfar_probe,
    .remove = gfar_remove,
    .driver = {
        .name = "fsl-gianfar",
    },
};

int gfar_probe(struct platform_device *pdev)
{
dev = alloc_etherdev(sizeof (*priv)); // 创建net_device数据结构

dev->open = gfar_enet_open;
    dev->hard_start_xmit = gfar_start_xmit;
    dev->tx_timeout = gfar_timeout;
    dev->watchdog_timeo = TX_TIMEOUT;
#ifdef CONFIG_GFAR_NAPI
    netif_napi_add(dev, &priv->napi,gfar_poll,GFAR_DEV_WEIGHT); //软中断里会调用poll钩子函数
#endif
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
    dev->poll_controller = gfar_netpoll;
#endif
    dev->stop = gfar_close;
    dev->change_mtu = gfar_change_mtu;
    dev->mtu = 1500;
    dev->set_multicast_list = gfar_set_multi;
    dev->set_mac_address = gfar_set_mac_address;
    dev->ethtool_ops = &gfar_ethtool_ops;
}

五、启用网络设备
5.1 用户调用ifconfig等程序，然后通过ioctl系统调用进入内核
socket的ioctl()系统调用
    --> sock_ioctl()
        --> dev_ioctl()                              //判断SIOCSIFFLAGS
          --> __dev_get_by_name(net, ifr->ifr_name) //根据名字选net_device
             --> dev_change_flags()                  //判断IFF_UP
                --> dev_open(net_device)             //调用open钩子函数

对于TSEC来说，挂的钩子函数是 gfar_enet_open(net_device)

5.2 在网络设备的open钩子函数里，分配接收bd，挂中断ISR(包括rx、tx、err)，对于TSEC来说
gfar_enet_open
    --> 给Rx Tx Bd 分配一致性DMA内存
    --> 把Rx Bd的“EA地址”赋给数据结构，物理地址赋给TSEC寄存器
    --> 把Tx Bd的“EA地址”赋给数据结构，物理地址赋给TSEC寄存器
    --> 给 tx_skbuff 指针数组分配内存，并初始化为NULL
    --> 给 rx_skbuff 指针数组分配内存，并初始化为NULL

--> 初始化Tx Bd
    --> 初始化Rx Bd，提前分配存储以太网包的skb，这里使用的是一次性dma映射
       （注意：#define DEFAULT_RX_BUFFER_SIZE 1536保证了skb能存一个以太网包）
        rxbdp = priv->rx_bd_base;
        for (i = 0; i < priv->rx_ring_size; i++) {
            struct sk_buff *skb = NULL;
            rxbdp->status = 0;
            //这里真正分配skb，并且初始化rxbpd->bufPtr, rxbdpd->length
           skb = gfar_new_skb(dev, rxbdp);
            priv->rx_skbuff[i] = skb;
            rxbdp++;
        }
        rxbdp--;
        rxbdp->status |= RXBD_WRAP; // 给最后一个bd设置标记WRAP标记

    --> 注册TSEC相关的中断handler：错误，接收，发送
        request_irq(priv->interruptError, gfar_error, 0, "enet_error", dev)
        request_irq(priv->interruptTransmit, gfar_transmit, 0, "enet_tx", dev)//包发送完
        request_irq(priv->interruptReceive, gfar_receive, 0, "enet_rx", dev)  //包接收完

-->gfar_start(net_device)
        // 使能Rx、Tx
        // 开启TSEC的 DMA 寄存器
        // Mask 掉我们不关心的中断event

最终，TSEC相关的Bd等数据结构应该是下面这个样子的

六、中断里接收以太网包

TSEC的RX已经使能了，网络数据包进入内存的流程为：
    网线 --> Rj45网口 --> MDI 差分线
         --> bcm5461(PHY芯片进行数模转换) --> MII总线
         --> TSEC的DMA Engine 会自动检查下一个可用的Rx bd
         --> 把网络数据包 DMA 到 Rx bd 所指向的内存，即skb->data

接收到一个完整的以太网数据包后，TSEC会根据event mask触发一个 Rx 外部中断。
cpu保存现场，根据中断向量，开始执行外部中断处理函数do_IRQ()

do_IRQ 伪代码
{
   上半部处理硬中断
       查看中断源寄存器，得知是网络外设产生了外部中断
       执行网络设备的rx中断handler（设备不同，函数不同，但流程类似，TSEC是gfar_receive）
          1. mask 掉 rx event，再来数据包就不会产生rx中断
          2. 给napi_struct.state加上 NAPI_STATE_SCHED 状态
          3. 挂网络设备自己的napi_struct结构到cpu私有变量_get_cpu_var(softnet_data).poll_list
          4. 触发网络接收软中断
    下半部处理软中断
        依次执行所有软中断handler，包括timer，tasklet等等
        执行网络接收的软中断handler net_rx_action
          1. 遍历cpu私有变量_get_cpu_var(softnet_data).poll_list
          2. 取出poll_list上面挂的napi_struct 结构,执行钩子函数napi_struct.poll()
             (设备不同，钩子函数不同,流程类似，TSEC是gfar_poll)
          3. 若poll钩子函数处理完所有包，则打开rx event mask，再来数据包的话会产生rx中断
          4. 调用napi_complete(napi_struct *n)
             把napi_struct 结构从_get_cpu_var(softnet_data).poll_list 上移走
             同时去掉 napi_struct.state 的 NAPI_STATE_SCHED 状态
}

6.1 TSEC的接收中断处理函数
gfar_receive
{
#ifdef CONFIG_GFAR_NAPI
    // test_and_set当前net_device的napi_struct.state 为 NAPI_STATE_SCHED
    // 在软中断里调用 net_rx_action 会检查状态 napi_struct.state
    if (netif_rx_schedule_prep(dev, &priv->napi)) {
        tempval = gfar_read(&priv->regs->imask);
        tempval &= IMASK_RX_DISABLED; //mask掉rx，不再产生rx中断
        gfar_write(&priv->regs->imask, tempval);
        // 将当前net_device的 napi_struct.poll_list 挂到
        // CPU私有变量__get_cpu_var(softnet_data).poll_list 上，并触发软中断
        // 所以，在软中断中调用 net_rx_action 的时候，就会执行当前net_device的
        // napi_struct.poll()钩子函数,即 gfar_poll()
        __netif_rx_schedule(dev, &priv->napi);
    }
#else
    gfar_clean_rx_ring(dev, priv->rx_ring_size);
#endif
}