【电子基础知识】Ethernet、USB驱动中Controller、MAC、PHY都是...

鸣涧

【电子基础知识】Ethernet、USB驱动中Controller、MAC、PHY都是啥？

做嵌入式开发，尤其是嵌入式Ethernet、USB、DDR、HDMI底层驱动开发中，经常会遇到Controller、MAC、PHY这些专业名词，这些名词是什么，之间又有什么关系？

一、基础概念和功能

Controller:控制器的统称，数字逻辑实现，主要包括控制寄存器组、FIFO，接口协议等。

MAC: Media Access Control,媒体访问控制器，属于控制器还是数字逻辑的实现。

PHY: Physical物理层，顾名思义实现通信中物理世界的光电等电气层面的信息，也就是实现数字信号转模拟信号，模拟信号转数字信号。

二、USB Controller +PHY

要实现USB通信大致需要两部分：Controller和PHY两部分。

Controller主要按照USB协议进行数据的打包和分解，并按照PIPE（USB3.0）或者UTMI（2.0）的总线的数据格式发送给PHY（2.0或者3.0）。

PHY通常为模拟逻辑实现（实现并转串的功能，把UTMI或者PIPE口的并行数据转换成串行数据，再通过差分数据线输出到芯片外部），USB PHY主要实现如下物理功能：

1.usb FS/HS 或者LS 模式选择2.usb 数据 NRZI 编码 和 Bit Stuffer3.将otg 并行数据 转为 差分串行D-/D+ 数据4.  速度枚举，J/K 信号产生。

大致的通信方式如下图所示：

图中看到UTMI和PIPE，这是PHY和controller通信的接口，USB2.0PHY主要使用ULPI和UTMI，USB3.0主要使用PIPE。

有的芯片内部集成了Controller和PHY，有的芯片则只有Controller，需要在芯片外挂一个PHY芯片。

一句话总结： usb phy 将usb 控制器的数据，按字usb 标准协议编码，然后转成串行差分数据，并通过D+/D- 发送出去。反之，对于从host 产生的数据，经过usb phy 解码，然后到usb 控制器，最后到我们ddr 或者sram可以访问的应用数据

三、Ethernet MAC +PHY

网卡主要包括OSI的最下面的两层，物理层和数据链路层

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。物理层的芯片称之为PHY

数据链路层则提供寻址机构、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。数据链路层的芯片称之为MAC控制器

从硬件的角度来分析，以太网的电路接口一般由CPU、MAC(Media Access Control)控制器和物理层接口(physical Layer PHY)组成，如下图所示：

对于上述三部分，并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况

·CPU内部集成了MAC和PHY，难度较高

·CPU内部集成MAC,PHY采用独立芯片(主流方案)

·CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片(高端采用)

PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件，芯片面积及模拟/数字混合架构是为什么先将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合

以常用的CPU内部集成MAC，PHY采用独立的芯片方案，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。

MAC(Media Access Control)，即媒体访问控制子层协议，该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器以及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，主要是负责控制与连接物理层的物理介质。

PHY物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气信号、线的状态、时钟要求、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（物理介质相关）子层、MDI子层。

总结一下：

MAC 就是以太网控制器，属于OSI的数字链路层。PHY 属于OSI的物理层(Physical layer)，所以叫PHY。

MAC主要处理的数字信号：

PHY负责把MAC的数字信号进行编码，串行化等操作后，转化为模拟信号进行发送。PHY在数据接受时， 进行如上所述的逆操作，将模拟信号转化为数字信号，解码，并行化后，传给MAC。

基础以太网物理层非常简单：它是一种物理层收发器（发射器和接收器），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——一种家庭使用的蓝色插线电缆）或光纤电缆。

最后，无论是USB还是以太网，只有Controller、MAC、PHY都正常工作，USB、以太网才能正常工作，那么对应到驱动层面就需要开发、调试Controller、MAC、PHY这几部分的驱动。