OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互连。一样平常都叫OSI参考模型，是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。该体系构造标准定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和运用层），即OSI开放系统互连参考模型。
网卡事情在osi的末了两层，物理层和数据链路层，物理层定义了数据传送与吸收所须要的电与光旗子暗记、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供应标准接口。物理层的芯片称之为PHY。数据链路层则供应寻址机构、数据帧的构建、数据差错检讨、传送掌握、向网络层供应标准的数据接口等功能。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC掌握器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线，mac接 phy，phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。
MII/GigaMII(Media Independed Interfade，介质独立界面)界面连接MAC和PHY。而MAC对PHY的事情状态的确定和对PHY的掌握则是利用SMI(Serial Management Interface)界面通过读写PHY的寄存器来完成的。smi(Serial Management Interface)是一种串行接口，接口包括两根旗子暗记线：MDC和MDIO，通过它，MAC层芯片（或其它掌握芯片）可以访问物理层芯片的寄存器（前面100M物理层芯片中先容的寄存器组）。MDC：管理接口的时钟，它是一个非周期旗子暗记，旗子暗记的最小周期（实际是正电平时间和负电平时间之和）为400ns，最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大的正负电平时间无限制。它与TX_CLK和RX_CLK无任何关系。MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的掌握信息和物理层的状态信息。MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。MAC通过SMI总线不断的读取PHY的状态寄存器以得知目前PHY的状态，例如连接速率，双工的能力等。
物理连接的MII界面和SMI总线还是PHY的状态寄存器和掌握寄存器都是有IEEE的规范的，因此不同公司的MAC和PHY一样可以折衷事情。当然为了合营不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动须要做相应的修正。一片网卡紧张功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的，还有一颗EEPROM芯片，常日是一颗93C46。里面记录了网卡芯片的供应商ID、子系统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置，如SMI总线上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否启用BOOTROM勾引系统等东西。
如果操作系统没有加载网卡驱动，网卡虽然在系统设备树上，但网卡接口创建不了，那网卡实际能不能吸收到数据？
这里面有很多细节， 我根据Intel网卡的Spec大概写了写， 想只管即便写的普通一些，以是没有刻意用Spec里的术语，其余本文虽然讲的是MAC/PHY，但光口卡的（SERDES）也是类似的。
1. PCI设备做reset往后进入D0uninitialized（非初始化的D0状态， 参考PCI电源管理规范），此时网卡的MAC和DMA都不事情，PHY是事情在一个分外的低电源状态的。2. 操作系统创建设备树时，初始化这个设备，PCI命令寄存器的 Memory Access Enable or the I/O Access Enable bit会被enable, 这便是D0active。此时PHY/MAC就使能了。3. PHY被使能该当就可以吸收物理链路上的数据了，否则不能收到FLP/NLP, PHY就不能建立物理连接。但这类包一样平常是流量间歇发送的.4. 驱动程序一样平常要通过寄存器来掌握PHY, 比如自动协商speed/duplex， 查询物理链路的状态Link up/down。5. MAC被使能后， 如果没有驱动设置掌握寄存器的一个位（CTRL.SLU )的话， MAC和PHY是不能通讯的， 便是说MAC不知道PHY的link已经ready, 以是收不到任何数据的。这位设置往后， PHY完成自协商， 网卡才会有个Link change的中断，知道物理连接已经Link UP了。6. 纵然Link已经UP， MAC还须要enable吸收器的一个位（RCTL.RXEN ），包才可以被吸收进来，如果网卡被reset，这位是0，意味着所有的包都会被直接drop掉，不会存入网卡的 FIFO。老网卡在驱动退出前利用这位关掉吸收。Intel的最新千兆网卡发送吸收行列步队的动态配置便是依赖这个位的，重新配置的过程一定要关掉流量。7. 无论驱动加载与否， 发生reset后，网卡EEPOM里的mac地址会写入网卡的MAC地址过滤寄存器， 驱动可以去修正这个寄存器，当代网卡常日支持很多MAC地址，也便是说，MAC地址是可以被软件设置的。例如，Intel的千兆网卡就支持16个单播 MAC地址，但只有1个是存在EEPROM里的，其它是软件声称和设置的。8. 但如果驱动没有加载，网卡已经在设备树上，操作系统完成了步骤1-2的初始化，此时网卡的PHY该当是事情的，但由于没有人设置掌握位（CTRL.SLU）来让MAC和PHY建立联系，以是MAC是不收包的。这个掌握位在reset时会再设置成0。9. PHY可以被软件设置加电和断电， 断电状态除了吸收管理命令以外，不会吸收数据。其余，PHY还能事情在Smart Power Down模式下，link down就进入省电状态。10. 有些多口网卡，多个网口共享一个PHY, 以是BIOS里设置disbale了某个网口, 也未必会把PHY的电源关掉，反过来，也要小心地关掉PHY的电源。二、系统概述从硬件的角度来剖析，以太网的电路接口一样平常由CPU、MAC(Media Access Control)掌握器和物理层接口PHY(physical Layer PHY)组成，如下图所示
对付上述三部分，并不一定都是独立的芯片，紧张有以下几种情形:
1.CPU内部集成了MAC和PHY，难度较高2.CPU内部集成MAC,PHY采取独立芯片(主流方案)3.CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采取独立芯片或者集成芯片(高端采取)以常用的CPU内部集成MAC，PHY采取独立的芯片方案，虚线内表示CPU和MAC集成在一起，PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC互联
SMI是一种串行接口，接口包括两根旗子暗记线： MDC：管理接口的时钟，MDIO: 双向的数据线。紧张是完成CPU对付PHY芯片的寄存器配置MII总线接口，紧张是完成数据收发干系的业务（下方详细先容）网络隔离变压器：传输数据,增强旗子暗记;隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平;抗滋扰,保护浸染。
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MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接供词给了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技能。媒体独立表明在不对MAC硬件重新设计或更换的情形下,任何类型的PHY设备都可以正常事情.它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口。MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要先容个中的MII和RGMII。
MII接口紧张包括以下三个部分：
从MAC层到PHY层的发送数据接口从PHY层到MAC层的吸收数据接口从MAC层和PHY层之间寄存器掌握和信息获取的MDIO接口MII 数据接口统共须要 16 个旗子暗记。MII的时钟为25MHz，传输速率为10/100Mbps。以是MII的特性如下：
1.支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率2.100M事情模式下，参考时钟是25MHz；10M事情模式下，旗子暗记参考时钟是2.5MHz3.支持全双工、半双工两种事情模式4.发送和吸收数据时采取,4bit办法RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的旗子暗记线（2数据位），以是它一样平常哀求是50MHz的总线时钟。RMII一样平常用在多端口的交流机，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的一个端口哀求7个数据线,比MII少了一倍,以是交流机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速率.
后来为了支持千兆网口，也就开始有了千兆网的MII接口，也便是GMII接口。现在比较常用的是RGMII，减小了MAC和PHY之间的引脚数量。数据旗子暗记和掌握旗子暗记稠浊在一起，并且在事情时钟的上升沿和低落沿同时采样，其对应关系图如下：
10M带宽对应的是2.5MHz，由于4bit2.5M=10Mbps100M带宽对应的是25MHz，由于4bit25M=100Mbps1000M带宽对应的是125MHz，由于250MHz频率太高，以是采取双边沿采样技能（会带来设计繁芜度）。4bit125M2=1000Mbps
SMI是MAC内核访问PHY寄存器接口，它由两根线组成，双工，MDC为时钟，MDIO为双向数据通信，事理上跟I2C总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的phy。
MDC/MDIO基本特性：
两线制：MDC（时钟线）和MDIO（数据线）。时钟频率：2.5MHz通信办法：总线制，可同时接入的PHY数量为32个通过SMI接口，MAC芯片主动的轮询PHY层芯片，得到状态信息，并发出命令信息。当PHY芯片发送数据，接管到MAC层发送过来的数字旗子暗记，然后转换成仿照旗子暗记，通过MDI接口传输出去。但是网线传输的间隔又很长，有时候须要送到100米乃至更远的地址，那么就会导致旗子暗记的流失落。而且外网线与芯片直接相连电磁感应和静电，也很随意马虎导致芯片的破坏，以是就要利用网络变压器，其紧张浸染是：
传输数据,它把PHY送出来的差分旗子暗记用差模耦合的线圈耦合滤波以增强旗子暗记,并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的其余一端；
隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平,以防止不同电压通过网线传输破坏设备；
还能使芯片端与外部隔离，抗滋扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护浸染，保护PHY免遭由于电气失落误而引起的破坏（如雷击）。
四、MACMAC(Media Access Control)，即媒体访问掌握子层协议，该部分有两个观点：MAC可以是一个硬件掌握器以及MAC通讯协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，紧张是卖力掌握与连接物理层的物理介质。
MAC(Media Access Control)，即媒体访问掌握子层协议，该部分有两个观点：MAC可以是一个硬件掌握器以及MAC通讯协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，紧张是卖力掌握与连接物理层的物理介质。
发送数据：MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将数据加上一些掌握信息，末了将数据以及掌握信息以规定的格式发送到物理层
吸收数据：MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输缺点，如果没有缺点，则去掉掌握信息后发送至LLC(逻辑链路掌握)层。
PHY物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气旗子暗记、线的状态、时钟哀求、数据编码和数据传输用的连接器。
MDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口（Media Dependent Interface）。MDI是指通过收发器发送的100BASE-T旗子暗记，即100BASE-TX、FX、T4或T2旗子暗记。将集线器连接网络接口卡时，其发送和吸收对常日是相互连接的。集线器之间连接时，常日须要一条跨接电缆，个中的发送和吸收对是反接的。
MDI是正常的UTP或STP连接，而MDI-X连接器的发送和吸收对是在内部反接的，这就使得不同的设备（如集线器-集线器或集电器-交流机），可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。
4.1MII接口MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接供词给了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技能。媒体独立表明在不对MAC硬件重新设计或更换的情形下,任何类型的PHY设备都可以正常事情.它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口。MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要先容个中的MII和RGMII。
MII接口紧张包括以下三个部分：
从MAC层到PHY层的发送数据接口从PHY层到MAC层的吸收数据接口从MAC层和PHY层之间寄存器掌握和信息获取的MDIO接口首先来看看MII的MAC层定义接口：
MII 数据接口统共须要 16 个旗子暗记，包括 TX_ER，TXD[3:0]，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD[3:0]，RX_ER，RX_CLK，CRS，RX_DV 等。MII的时钟为25MHz，传输速率为10/100Mbps。以是MII的特性如下：
支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率100M事情模式下，参考时钟是25MHz；10M事情模式下，旗子暗记参考时钟是2.5MHz支持全双工、半双工两种事情模式发送和吸收数据时采取,4bit办法RMII的用场：
RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的旗子暗记线（2数据位），以是它一样平常哀求是50MHz的总线时钟。RMII一样平常用在多端口的交流机，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的一个端口哀求7个数据线,比MII少了一倍,以是交流机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速率.
后来为了支持千兆网口，也就开始有了千兆网的MII接口，也便是GMII接口。现在比较常用的是RGMII，减小了MAC和PHY之间的引脚数量。数据旗子暗记和掌握旗子暗记稠浊在一起，并且在事情时钟的上升沿和低落沿同时采样，其对应关系图如下：
10M带宽对应的是2.5MHz，由于4bit2.5M=10Mbps100M带宽对应的是25MHz，由于4bit25M=100Mbps1000M带宽对应的是125MHz，由于250MHz频率太高，以是采取双边沿采样技能（会带来设计繁芜度）。4bit125M2=1000Mbps4.2SMI接口SMI是MAC内核访问PHY寄存器接口，它由两根线组成，双工，MDC为时钟，MDIO为双向数据通信，事理上跟I2C总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的phy。
MDC/MDIO基本特性：
两线制：MDC（时钟线）和MDIO（数据线）。时钟频率：2.5MHz通信办法：总线制，可同时接入的PHY数量为32个通过SMI接口，MAC芯片主动的轮询PHY层芯片，得到状态信息，并发出命令信息。管理帧格式:
读操作时序
写操作时序
报头： 每个读写均可通过报头字段启动，报头字段对应于MDIO线上32个连续的逻辑“1”位以及MDC的32个周期，该字段用于与PHY设备建立同步起始： 起始由<01>模式定义操作： 定义读写类型PADDR: PHY地址由5位，可构成32个唯一PHY地址RADDR: 寄存器地址有5位
TA:
数据： 数据字段为16位空间: MDIO线驱动为高阻态，三态驱动器必须禁止，PHY的上拉电阻使线路保持高阻态五、PHY物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气旗子暗记、线的状态、时钟哀求、数据编码和数据传输用的连接器。 物理层的器件称为PHY。
PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY包括MII/GMII（介质独立接口）子层、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质干系）子层、MDI子层。
5.1什么是PHY发送数据：对付PHY来说，并没有帧的观点，对它来说，不管是地址、数据还是CRC，都会将并行数据转换为串行数据流，在按照物理层的编码规则把数据编码，终极转换成仿照旗子暗记发送出去
吸收数据：从外部吸收数据时，仿照旗子暗记先转成数字旗子暗记，再经由解码得到数据， 经由MII送到MAC
CSMA/CD：可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机韶光后将送数据出去。如果两个恰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突。这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的韶光重新发送数据
5.2MDIMDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口（Media Dependent Interface）。MDI是指通过收发器发送的100BASE-T旗子暗记，即100BASE-TX、FX、T4或T2旗子暗记。将集线器连接网络接口卡时，其发送和吸收对常日是相互连接的。集线器之间连接时，常日须要一条跨接电缆，个中的发送和吸收对是反接的。MDI是正常的UTP或STP连接，而MDI-X连接器的发送和吸收对是在内部反接的，这就使得不同的设备（如集线器-集线器或集电器-交流机），可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。”
5.3PHY根本知识简介PHY是IEEE 802.3规定的一个标准模块，SOC可以通过MDIO对PHY进行配置或者读取phy干系状态，PHY内部寄存器必须知足
PHY芯片的寄存器地址空间是5位，一样平常由外部硬件连接决定。
地址空间031共32个寄存器，IEEE定义了015这16个寄存器的功能，16-31这16个寄存器由厂商自行实现。也便是说不管哪个厂商的PHY芯片，个中0~15这16个寄存器是千篇一律的。
仅靠这 16个寄存器完备可以驱动起PHY芯片，至少能担保基本的网络数据通信。因此 Linux 内核有通用 PHY 驱动，按道理来讲，不管你利用的是哪个厂家的 PHY 芯片，都可以利用 Linux 的这个通用 PHY 驱动来验证网络事情是否正常。事实上在实际开拓中可能会碰着一些其他的问题导致 Linux 内核的通用 PHY 驱动事情不正常，这个时候就须要驱动开拓职员去调试了。
随着现在PHY芯片性能越来越强大，32个寄存器已经无法知足厂商的需求，因此很多厂商采取了分页机制来开展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。这些多出来的几次器可以实现厂商特有的一些技能，因此在Linux内核里面可以看到很多详细的PHY芯片驱动源码。
6、总结MAC 便是以太网掌握器，属于OSI的数字链路层。 phy 属于OSI的物理层(Physical layer)，以是叫phy。
MAC紧张处理的数字旗子暗记，PHY卖力把MAC的数字旗子暗记进行编码，串行化等操作后，转化为仿照旗子暗记进行发送。PHY在数据接管时， 进行如上所述的逆操作，将仿照旗子暗记转化为数字旗子暗记，解码，并行化后，传给MAC。
根本以太网物理层非常大略：它是一种物理层收发器（发射器和吸收器），能将一个设备物理地连接到另一个设备。这种物理连接可以是铜线（例如CAT5电缆——一种家庭利用的蓝色插线电缆）或光纤电缆。
问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的缘故原由是什么？
答：PHY整合了大量仿照硬件，而MAC是范例的全数字器件。芯片面积及仿照/数字稠浊架构是为什么先将MAC集成进微掌握器而将PHY留在片外的缘故原由。更灵巧、密度更高的芯片技能已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合。
