TCP/IP 協議、MAC、PHY晶片介面學習筆記

TCP/IP 協議中文名為傳輸控制協議/因特網互聯協議，又名網路通訊協議，是 Internet 最基本的協議、Internet 國際網際網路絡的基礎，由網路層的 IP 協議和傳輸層的 TCP 協議組成。 TCP/IP 定義了電子裝置如何連入因特網，以及資料如何在它們之間傳輸的標準。協議採用了 4 層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的協議來完成自己的需求。通俗而言： TCP 負責發現傳輸的問題，一有問題就發出訊號，要求重新傳輸，直到所有資料安全正確地傳輸到目的地。而 IP 是給因特網的每一臺聯網裝置規定一個地址。TCP/IP 協議不是 TCP 和 IP 這兩個協議的合稱，而是指因特網整個 TCP/IP 協議族。從協議分層模型方面來講， TCP/IP 由四個層次組成： 網路介面層、 網路層、傳輸層、應用層。 OSI（ Open System Interconnection是開放式系統互連參考模型， 該模型將 TCP/IP 分為七層： 物理層、資料鏈路層、 網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

TCP/IP 模型與 OSI 模型對比如表 1.1.所示 ：

MAC 與 PHY 晶片及 GMII 與 RGMII 介面

乙太網卡工作在 OSI 模型的最後兩層，物理層和資料鏈路層，物理層定義了資料傳送與接收所需要的電與光訊號、線路狀態、時鐘基準、資料編碼和電路等，並向資料鏈路層裝置提供標準介面。物理層的晶片稱之為 PHY。此外 PHY 還提供了和對端裝置連線的重要功能並通過 LED 燈顯示出當前的連線的狀態和工作狀態。當我們給網卡接入網線的時候， PHY 不斷髮出的脈衝訊號檢測到對端有裝置， 它們通過一套標準
的語言交流，互相協商並確定連線速度、 工作模式、是否採用流控等。通常情況下，協商的結果是兩個裝置中能同時支援的最大速度和最好的雙工模式。這個技術被稱為 AutoNegotiation，即自協商。資料鏈路層則提供定址機構、資料幀的構建、資料差錯檢查、傳送控制、向網路層提供標準的資料介面等功能。乙太網卡中資料鏈路層的晶片稱之為 MAC 控制器。MAC 控制器與 PHY 通過 MII（ Medium Independent Interface）介面進行連線。 MII 介面有很多類型，千兆乙太網多使用 GMII （ Gigabit Medium Independent Interface）或 RGMII （ Reduced Gigabit Media IndependentInterface）介面進行連線。

GMII 介面提供了 8 位資料通道， 125MHz 的時鐘速率，從而具有 1000Mbps 的資料傳輸速率。除 MDC和 MDIO 外，有 24 根介面訊號線，如圖 1.2 所示。
GMII 介面主要包括四個部分。一是從 MAC 層到物理層（ PHY） 的傳送資料介面，二是從物理層到 MAC層的接收資料介面，三是從物理層到 MAC 層的狀態指示訊號，四是 MAC 層和物理層之間傳送控制和狀態資訊的 MDIO 介面。各部分介面訊號說明見圖1.3。

RGMII 介面即 Reduced GMII，是 GMII 介面的簡化版本。 RGMII 採用 4 位資料口，工作時鐘 125MHz，並且在上升沿和下降沿同時傳輸資料，因此傳輸速率可達 1000Mbps。採用 RGMII 的目的是降低電路成本，使實現這種介面的器件的引腳數從 24 個減少到 14 個（不包括 MDC 和 MDIO），介面訊號如圖1.4所示：

可以看到 RGMII 介面相對於 GMII 介面，在 TXD 和 RXD 上總共減少 8 根資料線。 TX_CTL 訊號線上傳送 TX_EN 和 TX_ER 兩種資訊，在 TX_CLK 的上升沿傳送 TX_EN，下降沿傳送 TX_ER；同樣的， RX_CTL訊號線上傳送 RX_DV 和 RX_ER 兩種資訊，在 RX_CLK 的上升沿傳送 RX_DV，下降沿傳送 RX_ER。 進一步減少了 2 根資料線。其他訊號同 GMII 介面。

參考文件：正點原子領航者zynq之嵌入式（sdk）開發指南_v1.3