基于FPGA的以太网设计（二）

一.以太网硬件架构概述

前文讲述了以太网的一些相关知识，本文将详细讲解以太网的硬件架构

以太网的电路架构一般由MAC、PHY、变压器、RJ45和传输介质组成，示意图如下所示：

PHY：Physical Layer，即物理层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。简单来讲，就是PHY芯片决定了电信号/光信号如何传输。PHY主要是个模拟芯片，我们只要稍微了解一下就行。在千兆以太网设计中，PHY芯片一般都是独立的集成芯片，并不需要在FPGA层面上来设计PHY，我们只需要掌握好PHY和MAC之间的接口，以及PHY的一些常见寄存器配置即可。

MAC：Media Access Control，即媒体访问控制。MAC是数据链路层的芯片，它的功能是提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

隔离变压器：Transformer，也叫网络变压器。它主要实现电气上的功能而不实现逻辑功能。比如增强信号从而使传输距离更远；使芯片端与外部隔离，大大增强抗干扰能力，同时对芯片起到了很大的保护作用（如雷击）。理论上变压器不是必需的，没有变压器以太网物理层也能正常工作，只是电气性能会下降，传输距离会受限。

RJ45：网络连接器，RJ是Registered Jack的缩写即 “注册的插座” 。网络连接器并不一定是RJ45，只是目前在千兆以太网中，RJ45是最常见的连接器。它实现的是连接不同主机的网络接口的功能。

传输介质：也就是俗称的 “网线” 。电信号/光信号在这上面以一定的规范进行传输，它是发送和接收信息的载体。传输介质可以分为有线和无线两个大类，有线就是我们日常生活中常见的网线，而无线则是电磁波，例如WIFI和手机通讯等。

1.PHY芯片

PHY是物理层的芯片，它负责实现数据在物理层的传输功能。PHY芯片将数字信号转换为模拟信号，并把它发送到通信介质上；同时从接收的模拟信号中恢复出数字信号，再传输到上层芯片处理。

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址、数据还是CRC校验值），然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去；收数据时的流程反之。

PHY芯片的主要作用是通过网络介质（例如双绞线或光纤）传输数据。具体地说，它需要完成以下任务：

• 将数字信号转换为模拟信号，并输出到网络介质上
• 监测网络介质上的信号质量，并根据需要调整发送功率、电流等参数
• 从网络介质上接收模拟信号，并将其还原为数字信号
• 根据协议规范和控制器芯片的指令，对接收到的数据进行错误检测、纠错、解码等处理
• 将处理后的数据输出到MAC芯片或其他高层芯片进行进一步处理

PHY芯片的类型有很多，以我的开发板上的RTL8211F为例，其工作时的框图如下所示：

其结构框图如下所示：

引脚分配组成如下：

这里只需要了解其比较重要的几个对外接口即可：

MDIO接口：即Management Data Input/Output，管理数据输入输出接口，也称为 SMI 接口（Serial Management Interface，串行管理接口）。它的主要功能是对PHY内部的寄存器进行读取和配置，速率比较低，一般在10M以下，协议也比较简单。现在的PHY其实都设计得比较先进了，一般上电就可以直接使用，比不需要对内部寄存器进行多余的配置，除非一些特殊的需求。但为了确保PHY的稳定运行，有时候也需要定时读取PHY的一些状态寄存器来确定其处于正常的运行状态。

MDI接口：即Medium Dependent Interface，介质相关接口。它连接的是物理层芯片即PHY和传输介质，也就是说发数据时，MAC把数据通过xMII接口传递到PHY，PHY进行编码等一系列处理后，通过MDI接口发送到传输介质，这样就把数据从主机传出去了；接收数据的过程类似。

RGMII接口：PHY 的 MII 接口有很多种， 例如 MII、 GMII、 RGMII、 SGMII、 XGMII、 TBI、 RTBI 等。其中 RGMII 的主要优势在于，它可同时适用于 1000M、 100M、 10M三种速率，而且接口占用引脚数较少。但也存在缺点，其一， PCB 布线时需要尽可能对数据、控制和时钟线进行等长布线。其二，对其