Linux: 以太网 PHY 驱动简析

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上图来自 瑞昱半导体 (RealTek) 的 RTL8201F 系列网卡 PHY 芯片手册。按OSI 7层网络模型划分，网卡PHY 芯片(图中的RTL8201F)位于物理层，对应的软件层就是本文讨论的 PHY 驱动层；而 MAC 位于 数据链路层，也是通常软件上所说的网卡驱动层，它不是本文的重点，不做展开。另外，可通过 MDIO 接口对 PHY 芯片进行配置（如PHY芯片寄存器读写），而 PHY 和 MAC 通过 MII/RMII 进行数据传输。

值得一提的是，Linux的网络子系统，只取了OSI 7层网络模型的 前4层：物理层、数据链路层、网络层(IP协议等)、传输层(TPC/UDP协议等)。在内核代码注释里，我们经常看到用 L1 指代 物理层(如 PHY)， L2指代 数据链路层(如 MAC)，L3 指代 网络层。

在现在的嵌入式产品中，以太网卡的典型应用是：在 SoC 中集成一个 MAC，而在外围扩展电路中，加上一个以太网 PHY 芯片，这样和 RJ45 以及 网线一起，组成一个完整的以太网通信接口。想集成第二个以太网卡的产品，通常是加入一个 USB 以太网芯片(包含MAC)，然后再加入一路以太网 PHY ，和 额外的 RJ45 和 网线一起，组成系统中的第二个以太网通信接口。

2.1 MDIO 总线对象的创建和注册

Linux系统中的网卡 PHY ，统一通过 MDIO 总线管理，看一下拓扑结构：

PHY 通过 MDIO 接口挂接在 MDIO BUS 上（通常是 MAC 导出的 MDIO BUS），每个挂接到 MDIO BUS 上的 PHY 设备都有一个唯一地址，PHY 设备地址用 5 bit 来描述，所以一个 MDIO BUS 上最多挂 2 ^ 5 = 32 个 PHY 。需要注意的是，对于不同类型的以太网 PHY 设备，区间 [0,31] 的每一个地址不一定都是可用的，譬如 地址 31 是 DP83640 的广播地址。广播地址对于不同的芯片可能都是不同的，一般是从 0 和 31 中选一个作为广播地址。PHY 设备的地址可通过芯片数据手册来确认，该地址应该配置到 PHY 设备相关的 DTS 中。

在 Linux 中， MDIO BUS 用数据结构 struct mii_bus 抽象，看一下它的具体实现：

MDIO 总线对象既可由 MAC 层驱动(也就是我们通常所说的网卡驱动)创建创建，也可单独创建注册。我们以一个实际的例子来分析 MDIO 总线 和 PHY 驱动的具体实现，先看 SoC 内置以太网 MAC 设备的 DTS 配置：

来看 MDIO 总线对象的注册细节，从 MAC 驱动(也即通常说的网卡驱动)开始：

我们这里实际已经给出了一个网卡驱动的框架，但我们这里不关注网卡驱动，MDIO 总线对象的注册过程，是我们关注的重点：

到此，已经完成 MAC 设备 MDIO 总线对象的 创建 和 注册，期间会伴随着挂接在 MDIO 总线上从设的扫描注册，其细节将在接下来的章节展开。MDIO 总线对象的 创建 和 注册，涉及到两个接口：

2.2 MDIO 总线从设的 创建注册 和 驱动注册的加载

MDIO 总线从设，具体到我们例子中，就是以太网的 PHY 设备。

2.2.1 以太网的 PHY 设备创建和注册

上面提到，MDIO 总线对象的创建和注册过程中，会伴随对总线上从设的扫描探测，并为探测到物理设备创建设备对象并注册的过程。我们在这里展开章节 2.1 未涉及到的前述细节：

到此，以太网 PHY 设备的 创建 和 注册 已经完成。

必须说明的是，例子所对应的实际案例中，并没有挂接我们例子中 DTS 配置的 "ethernet-phy-ieee802.3-c22" PHY 设备，实际上挂接在 MAC 设备上的以太网 PHY 芯片，是 RealTek 的 RTL8201F。该 PHY 设备在 MAC 驱动注册 MDIO 总线对象时，在 get_phy_device() 流程中被探测到，并为其创建了对应的设备对象。

2.2.2 以太网的 PHY 设备驱动注册和加载

说完 PHY 设备的创建注册，接下来看 PHY 设备驱动的注册和加载过程。

假设 PHY 设备已经先注册到 driver core (先后关系是无所谓的，不管是哪种顺序，最终都会触发驱动的加载)，注册 PHY 驱动将触发驱动加载过程：

1. phy_driver_register()

2. driver_register(&new_driver->mdiodrv.driver)

3. bus_add_driver(drv)

4. driver_attach(drv)

5. bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach)

6. while ((dev = next_device(&i)) && !error)

7. /* 循环到注册的 PHY 设备时 */

8. fn(dev, data) = __driver_attach()

9. /* 匹配设备和驱动 */

10. driver_match_device(drv, dev)

11. mdio_bus_match(dev, drv)

12. phy_bus_match(dev, drv)

13. /* 按 phy_id & phy_id_mask 匹配 */

14. return (phydrv->phy_id & phydrv->phy_id_mask) == (phydev->phy_id & phydrv->phy_id_mask);

15. /* 匹配到设备和驱动，加载驱动 */

16. driver_probe_device(drv, dev)

17. really_probe(dev, drv)

18. dev->driver = drv; /* 绑定设备的驱动 */

    drv->probe(dev) = phy_probe()

到此，以太网 PHY 设备的驱动也已经加载，看起来似乎一切都已经结束了，是这样吗？事实上，我们还差一步，就是在软件层面绑定 MAC 和 PHY，让它们一起协作 ，这样才组成了一张完整的以太网卡。

2.3 绑定以太网卡的 MAC 和 PHY

在用户打开网卡时，将触发网卡设备对象的 net_device::netdev_ops->open 接口，即我们例子中的 stmmac_open() ：

从此， PHY 和 MAC 一起愉快地玩耍了。PHY 工作在其状态机 work 函数 phy_state_machine() 中。

2.4 以太网卡 PHY 和 MAC 的协作

以太网卡 PHY 管理了 连接状态、和对端通信速度的自动协商 等工作，作为一个网卡内外部沟通的桥梁：对外连接了网线，对内连接着 MAC。我们来看 PHY 是如何工作的。现在我们知道 PHY 工作在状态机 work 函数 phy_state_machine() 中：

PHY 要处理的事务较多，这里不一一列举，仅就连接状态变化来做一下说明：

2.5 以太网卡 PHY 驱动示范

写一个 以太网卡 PHY 驱动很简单，驱动框架如下：

来源：

https://mp.weixin.qq.com/s/gqJV0vhcqhM75XLTCF8UxQ