BSP之以太网接口学习笔记

以太网接口学习笔记

前言：

在嵌入式Linux BSP开发中，网络子系统（Network Subsystem）是复杂度仅次于存储和图形显示的模块。网络不通通常是软硬件协同问题的高发区。

作为BSP工程师，我们需要建立基于 OSI七层模型 的底层视角：

Layer 1 (物理层) ：这是 PHY (Physical Layer) 芯片的地盘。它负责模拟信号（电压、光脉冲）与数字信号之间的转换，处理编码（如Manchester, 4B/5B, 8b/10b）、链路状态检测等。
Layer 2 (数据链路层) ：这是 MAC (Media Access Controller) 的地盘，通常集成在SoC内部。它负责以太网帧的封装/解封、CRC校验、MAC地址过滤、流量控制（Flow Control）等。

核心公式：

Network Function = SoC MAC (Brain) + Interface (Nerves) + External PHY (Sensors)

这份笔记将深入剖析这三者的交互，特别是"神经系统"------数据接口与管理接口。

第一部分：以太网硬件架构深度解析

在嵌入式 Linux 系统中，网络通路的硬件链条通常如下：

SoC (CPU) <--> MAC (Media Access Control) <-->xMII接口 <--> PHY (Physical Layer) <--> Magnetics (网络变压器) <--> RJ45 接口

我们需要深入理解每个环节存在的意义：

MAC (媒体访问控制层) ：通常集成在 SoC 内部。它是数字逻辑电路，负责逻辑链路层功能，如以太网帧的封装/解封、CRC 校验生成/检查、以及 MAC 地址过滤。它只懂"0"和"1"的数字逻辑。
PHY (物理层) ：通常是板载的一颗独立芯片（如 Realtek RTL8211, Broadcom BCM54xx, TI DP83867）。
- 为什么要独立？ 因为 PHY 涉及模拟信号处理（ADC/DAC、信号整形、滤波），需要特殊的半导体工艺，难以直接高性价比地集成到标准数字逻辑工艺的 SoC 中。
- 核心功能：负责将 MAC 传来的并行数字信号（xMII），转换为能在双绞线上长距离传输的模拟差分信号（MDI）。
Magnetics (网络变压器) ：
- 核心作用 ：电气隔离 （防止网线引入的高压烧毁芯片）、共模抑制（减少 EMI 干扰）。BSP 开发虽然不直接控制它，但硬件设计如果选型错误（如中心抽头电压不对），会导致 Link 不稳定。
xMII (Media Independent Interface) ：MAC 和 PHY 之间的"普通话"。无论物理层是双绞线还是光纤，MAC 这一侧看到的接口都是标准的 xMII。BSP 工程师的主要工作就是通过软件配置，让 MAC 和 PHY 在这个接口上"握手"成功。

第二部分：数据接口详解 ------ 从并行到串行

数据接口决定了以太网帧（Frame）如何在MAC和PHY之间传输。

1. MII (Media Independent Interface)

定位：百兆时代的标准接口。
数据线：TXD[3:0], RXD[3:0] (4-bit 并行)。
时钟机制 ：
- TX_CLK ：由 PHY 提供 (2.5MHz @ 10Mbps, 25MHz @ 100Mbps)。
- RX_CLK ：由 PHY 提供。
- 深度解析：由于TX_CLK是PHY发给MAC，MAC再根据这个时钟送出数据，这导致了往返延时问题，限制了速率无法做高。
控制信号：TX_EN, TX_ER, RX_DV, RX_ER, CRS, COL。
BSP场景：老旧工控板、低成本MCU。调试时注意 TX_ER 信号如果被错误拉起，会导致发出的包被标记为错误包。

2. RMII (Reduced MII)

定位：为了减少引脚数（Reduced），常用于引脚紧张的SoC。
数据线：TXD[1:0], RXD[1:0] (2-bit 并行)。
时钟机制 (Critical) ：
- 统一使用 50MHz 参考时钟 (REF_CLK)。
- 时钟源模式 ：
  1. PHY Mode：PHY 接晶振，输出 50MHz 给 SoC。
  2. MAC Mode：SoC 内部 PLL 产生 50MHz 输出给 PHY。
- BSP坑点：硬件设计选择了哪种时钟方向，软件Device Tree必须对应配置时钟树，否则MAC逻辑不工作。
数据采样：每个时钟周期传2-bit，50MHz * 2bit = 100Mbps。

3. GMII (Gigabit MII)

定位：RGMII的前身，千兆标准。
数据线：8-bit 并行 (TXD[7:0], RXD[7:0])。
时钟：125MHz。
缺点：125MHz下做8位并行同步，对PCB走线要求高，且占用引脚太多，现已基本淘汰。

4. RGMII (Reduced Gigabit MII)

这是嵌入式Linux中最主流的接口，也是调试难度最高的接口之一。

原理：使用 DDR (Double Data Rate) 技术，在时钟的上升沿 和下降沿 都采样数据。
- 4-bit 位宽 * 125MHz 时钟 * 2 (DDR) = 1000 Mbps。
信号线 ：
- TXD[3:0], TX_CTL, TX_CLK (MAC提供)。
- RXD[3:0], RX_CTL, RX_CLK (PHY提供)。
- 注意：TX_EN 和 TX_ER 合并为 TX_CTL，通过时钟沿编码区分。

核心点：Skew (时钟偏斜)与 Timing Budget

在125MHz DDR模式下，数据有效的窗口期（Data Valid Window）非常短。

如果 PCB 走线完全等长，数据和时钟同时到达接收端。
由于接收端的建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）需求，时钟信号的跳变沿必须位于数据信号的中心（即延时90度，约2ns）。

phy-mode 四种模式的物理含义：

模式名称 (DTS)	英文全称	物理含义	适用场景
"rgmii"	No Internal Delay	PHY 不开启内部延迟。认为 PCB 做了等长或 MAC 会负责。	历史遗留硬件，或老式PHY芯片。
"rgmii-id"	Internal Delay	PHY芯片内部在TX和RX路径上开启2ns的数字延时器。PCB可以直连，无需蛇形走线。	现代设计首选。
"rgmii-rxid"	RX Internal Delay	PHY只负责接收方向（RXD/RX_CLK）的延时。发送方向（TXD/TX_CLK）需要MAC端配置或PCB处理。	某些特殊MAC或PHY组合。
"rgmii-txid"	TX Internal Delay	PHY只负责发送方向的延时。	较少见。

经验：

现象：Ping大包丢包，或者只有几Kbps速度，或者大量CRC Error。
对策：通常是延时配置不对。尝试在 rgmii 和 rgmii-id 之间切换。有些PHY（如RTL8211F）对TX-delay和RX-delay有单独的寄存器微调，不仅仅是开/关，还能调具体ns数（需查阅Datasheet扩展寄存器）。

5. SGMII (Serial Gigabit MII) ------ 高速串行趋势

原理：基于 SerDes (Serializer/Deserializer)。将并行数据转为串行差分信号。
物理层：LVDS (Low Voltage Differential Signaling) 逻辑电平。
时钟：通常需要一对差分参考时钟（100MHz 或 125MHz），或者从数据中恢复时钟（CDR）。
速率：1.25 Gbaud (8b/10b编码后，有效带宽1Gbps)。
In-band Status (带内状态) ：SGMII不像RGMII那样有专门的引脚传Link状态。它可以将Link up/down、Duplex信息编码在数据流中发给MAC。
- BSP坑点：DTS中属性 managed = "in-band-status" 就是开启这个功能。如果PHY不支持或配置没对，MAC可能认为链路一直是Down的。
AC耦合 ：TX和RX线上通常串联 0.1uF 电容。如果板子上没贴这电容，SGMII大概率不通。

第三部分：管理接口- MDIO/SMI

1.MDIO 硬件连接：一主多从

MDIO 接口的设计非常像 I2C 总线，它也是一种简单的串行总线，只有两根信号线：

MDC (Management Data Clock): 时钟线。
- 关键点： 这根线永远是由 MAC (SoC) 产生并输出的。MAC 是绝对的 Master，PHY 是 Slave。
MDIO (Management Data Input/Output): 数据线。
- 关键点： 它是双向的。MAC 用它发命令，PHY 用它回传数据（比如寄存器值）。而且它通常需要一个上拉电阻（Pull-up），因为在空闲状态下它需要保持高电平。

这种架构允许一个 MAC 控制器通过同一组 MDC/MDIO 线挂载多个 PHY 芯片（比如一个交换机芯片内部可能有 5 个 PHY）。在 MDIO 协议的标准帧格式中，专门预留了 5个 bit 用来存放 PHY 的地址。

MDIO 是配置PHY的唯一通道。如果不通，Kernel连PHY ID都读不到，网卡驱动直接报错退出。

2. 基础协议 (Clause 22)

帧结构：
PRE(32bit 1s) | ST(01) | OP(RW) | PHYAD(5bit) | REGAD(5bit) | TA(2bit) | DATA(16bit)
限制：
- PHY Address 只有5位 -> 最多32个PHY。
- Register Address 只有5位 -> 只能访问前32个寄存器 (Page 0)。
扩展寄存器访问 (Page Select)：
由于现代PHY寄存器远超32个，厂商通常定义 Reg 31 为 Page Select Register。
- 写：向Reg 31写入 0xXYZ (页码)。
- 读/写：操作 Reg 16-30 (该页下的数据)。
- 恢复：向Reg 31写入 0 (切回默认页)。
- BSP技巧：mdio-tool 工具通常支持这种分页读写。

3. 高级协议 (Clause 45)

专为万兆（10G）及以上设计，但也用于复杂的千兆PHY。
特点：
- 支持 MMD (MDIO Manageable Device) 分层概念（如PMA/PMD, PCS, PHY XS等）。
- 地址空间扩大：Device Address (5bit) + Register Address (16bit)。
- 访问方式改为：Address Frame (发地址) + Data Frame (发数据)，两步走。
兼容性：很多PHY支持 Clause 45 over Clause 22 (通过C22的Reg 13/14 间接访问C45寄存器)。

第四部分：Device Tree 与 Driver 配置

在 arch/arm64/boot/dts/... 中，网络节点的配置直接决定了驱动的行为。

1. RGMII 完整配置示例

c 复制代码

&gmac0 {  
    status = "okay";  
    phy-mode = "rgmii-id"; /* 核心配置 */  
    phy-handle = <&rgmii_phy>;  
      
   /* MAC层级的高级配置 */  
    tx_delay = <0x3>; /* 某些SoC MAC支持微调内部延时 */  
    rx_delay = <0x3>;  
      
   /* 1. 固定链路 (无PHY场景, 如直连Switch) */  
    
    fixed-link {  
        speed = <1000>;  
        full-duplex;  
    };  
   
   mdio {  
        compatible = "snps,dwmac-mdio";  
        #address-cells = <1>;  
        #size-cells = <0>;
  rgmii_phy: ethernet-phy@1 {  
            reg = <1>; /* 对应硬件 Strap Pin 设置的地址 */          
   /* 2. 厂商特定驱动 vs 通用驱动 */  
            /* 写具体的ID可以强制加载特定驱动，否则内核会通过读ID自动匹配 */  
             compatible = "ethernet-phy-id001c.c916";       
   /* 3. 复位时序精细控制 */  
            reset-gpios = <&gpio3 15 GPIO_ACTIVE_LOW>;  
            reset-assert-us = <10000>;  /* 保持复位电平 10ms */  
            reset-deassert-us = <30000>; /* 复位释放后等待 30ms 让时钟稳定 */  
   /* 4. 中断模式 (推荐) vs 轮询模式 */  
            /* 如果配置了中断，PHY状态变化时会触发中断，不用CPU一直轮询MDIO */  
            interrupt-parent = <&gpio1>;  
            interrupts = <10 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>;  
        };  
    };  
};

2. 时钟树 (Clock Tree) 检查

在 /sys/kernel/debug/clk/clk_summary 中，务必确认以太网相关的时钟频率正确。

如果是 RGMII，gmac_tx_clk 或类似时钟必须是 125MHz。
如果是 RMII，必须确认 50MHz 来源正确。

第五部分：调试命令与诊断

除了基础的 ifconfig，还需要掌握更底层的工具。

ethtool 进阶
- ethtool -S eth0：查看统计计数。重点关注 rx_crc_errors (物理层干扰/时序问题), rx_fifo_overflow (DMA搬运太慢/系统负载高)。
- ethtool -r eth0：重置自协商。用于测试链路恢复能力。
- ethtool -d eth0：Dump MAC寄存器。直接查看MAC控制器的原始状态。
mii-tool vs phytool
- mii-tool 已过时，只支持 Clause 22 的基本寄存器。
- 推荐使用 phytool (Linux MDIO tool) 或 mdio-tool。
- 读寄存器：phytool read eth0/1/0 (读 PHY地址1，寄存器0)。
- 写寄存器：phytool write eth0/1/0 0x1140 (配置Control Register)。
Loopback 测试 (环回测试)
当网络不通时，如何区分是 MAC问题、PHY问题还是外部网线/交换机问题？
- MAC Loopback：数据出MAC内部FIFO直接回转。如果通，说明驱动和DMA正常。
- PHY Digital Loopback：数据到了PHY内部PCS层回转。如果通，说明 RGMII/MII 接口通讯正常。
- PHY Analog Loopback：数据到了PHY模拟前端回转。
- 设置方法：通常通过写 PHY 的 Register 0 (Basic Control) 的 Bit 14 来开启 Loopback。

第六部分：常见问题排查

场景一：PHY ID 读取全为 0x0000 或 0xFFFF

原因 1：MDIO/MDC 引脚复用没配好（检查 pinctrl）。
原因 2：PHY 没上电或处于 Reset 状态（检查 GPIO 电平）。
原因 3：PHY 缺少参考时钟（对于某些PHY，没有 REF_CLK 甚至连 MDIO 都不回）。

场景二：Link 灯亮，但 ping 不通

原因 1 ：RGMII Delay 不匹配。这是最经典的问题。尝试遍历 rgmii, rgmii-id, rgmii-rxid, rgmii-txid。
原因 2 ：Interrupt 极性错误 。如果 DTS 配置了中断但极性配反，中断可能一直触发导致死锁，或者永远不触发导致 Link 状态无法更新。尝试在 DTS 中去掉中断相关行，强制回退到 Polling (轮询) 模式测试。

场景三：Ping 小包通，大包不通 (MTU问题)

现象：ping -s 10 ip 能通，ping -s 2000 ip 不通。
原因：通常也是时序（Skew）处于"临界状态"。小数据包由于长度短，可能正好避开了采样错误；大数据包连续传输，时钟漂移或抖动导致中间某一位采样错，CRC校验失败，包被丢弃。
解决：调整 Delay，或检查电源纹波干扰。

场景四：MAC 地址全是 00

原因：SoC 内部 OTP 区域未烧录 MAC 地址，且 U-Boot 环境变量也没设。
解决：在 U-Boot 中 setenv ethaddr xx:xx:xx:xx:xx:xx，或在 DTS 中添加 local-mac-address = [...]。
补充说明--RK系列芯片MAC读取策略(官方文档)：
- 目前对 MAC 地址的读取策略是，优先使用 DTB 里面的 MAC 地址（uboot 也会写入），之后是烧写在IDB 中的 MAC 地址，若该地址符合规范，则使用，若不符合或没有烧写，则使用随机生成的地址（重启开机 MAC 地址会变化）。
- 在 RK3399、RK3328/RK3228H 及以后的版本中，对策略进行了完善：优先使用烧写在 IDB 或 vendor Storage 中的 MAC 地址，若该地址符合规范，则使用，若不符合或没有烧写，则随机生成 MAC 地址保存到 Vendor 分区中并使用，重启或恢复出厂设置不会丢失。烧写工具在 SDK 中有提供。