什么是MII

核心概念：MAC 与 PHY

首先要理解，一个完整的网络控制器通常分为两部分：

1. MAC（Media Access Control）：负责数据链路层，处理数据帧的组装、寻址、错误校验等。现在，MAC通常都集成在CPU或SoC内部。

2. PHY（Physical Layer）：负责物理层，实现数字信号与模拟信号的转换，驱动网线、光纤等物理介质。

MAC 和 PHY 之间需要一个标准的接口来进行通信，这就是您问到的协议。

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主流的 MAC-PHY 接口协议（从老到新）

以下是几种常见的接口协议，SGMII 是当前最常见的一种。

1. MII（Media Independent Interface）

• 诞生年代：早期

• 特点：

  • 并行接口：需要16根数据和控制信号线。

  • 引脚多：导致PCB布线复杂，芯片引脚数量多。

  • 速度：支持10Mbps和100Mbps。

• 现状：基本已被淘汰，仅在一些老旧设备上能看到。

2. RMII（Reduced MII）

• 特点：

  • MII的简化版，将数据线从16根减少到7根。

  • 同样支持10M/100Mbps。

  • 在成本敏感和引脚数量受限的嵌入式设备中很常见。

• 现状：在百兆网络应用中仍然广泛使用。

3. GMII（Gigabit MII） & RGMII（Reduced GMII）

• GMII：为千兆以太网设计，但同样是并行接口，引脚数更多。

• RGMII：这是千兆以太网最常见、最主流的接口之一。

  • 特点：

    • GMII的简化版，数据线大幅减少。

    • 采用 DDR（双倍数据速率） 技术，在时钟的上升沿和下降沿都传输数据。

    • 支持10M/100M/1000Mbps。

  • 现状：大量用于千兆网络芯片和嵌入式CPU的连接。

4. SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）

• 特点：

  • 串行接口：只有一对差分发送线和一对差分接收线（共4个引脚），极大地减少了引脚数量。

  • 高速：每对差分线以1.25Gbps的速率运行。

  • 灵活性高：除了用于连接PHY芯片，还可以直接与光纤模块（SFP）等设备连接。

  • 支持速率自协商和多种配置。

• 现状：这是当前千兆及更高速率应用中最主流的接口之一，尤其是在需要简化布线、高速率和灵活性的场景。

5. USXGMII（Universal Serial 10G/5G/2.5G/1G/100M/10M Media Independent Interface）

• 特点：

  • 支持从10M到10G的多种速率，是“万能”型接口。

  • 同样是串行接口，引脚数少。

• 现状：主要用于2.5G、5G和10G等多速率自适应场景。

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核心答案：MAC 和 PHY 是一个芯片吗？

不完全是。存在两种主流方案：

1. 独立芯片：MAC 和 PHY 是两颗独立的芯片。

2. 集成芯片：MAC 和 PHY 被集成在一颗芯片里。

而 CPU 与它们的连接方式，也因上述方案而异。

为了让您一目了然，我们通过下图来展示这两种架构及其连接关系：

 

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详细解释

1. MAC 和 PHY 的角色分工

首先，必须理解它们的功能分工，这决定了为什么需要这两种芯片：

• MAC（媒体访问控制器）：

  • 职责：工作在数据链路层。

  • 具体工作：负责数据帧的组装、寻址（源/目的MAC地址）、差错校验（CRC）、流量控制等。它处理的是规整的“数字数据包”。

• PHY（物理层接口）：

  • 职责：工作在物理层。

  • 具体工作：负责将MAC传来的数字信号，通过调制编码（如MLT-3、PAM4等），转换成可以在网线、光纤上传输的模拟信号，并驱动物理介质。同时，它也负责接收模拟信号并将其解调为数字信号传给MAC。它处理的是 electrical signal。

2. 三种架构方案详解

现在，我们结合上图，对三种方案进行详细说明：

方案一：独立模式 - CPU + MAC芯片 + PHY芯片

• 连接方式：

  • CPU 与 MAC：通过PCIe总线连接。MAC控制器对于CPU来说，就是一个PCIe设备。

  • MAC 与 PHY：通过标准接口连接，例如我们之前讨论的 SGMII、RGMII 等。这些接口定义了数据、时钟和控制信号的电气规范和时序。

• 应用场景：早期系统、高性能网卡（服务器、高端路由器），以及当CPU内部没有集成MAC时。

方案二：集成模式 - CPU + 网络芯片（MAC+PHY集成）

• 连接方式：

  • CPU 与 网络芯片：同样通过PCIe总线连接。

  • 芯片内部：MAC和PHY被封装在同一颗芯片内部，它们之间通过内部总线连接，对使用者来说是透明的。

• 应用场景：最常见的USB网卡、普通PCIe网卡。这种方案简化了PCB设计，降低了成本。

方案三：SoC集成模式 - CPU（集成MAC） + 外部PHY芯片

• 连接方式：

  • CPU 与 PHY：这是最直接、最常用的嵌入式方案。CPU/Soc内部已经集成了MAC控制器，它直接通过 SGMII、RGMII 等接口连接到外部的PHY芯片。

  • CPU 内部：集成MAC通常会作为一个内部外设，通过SoC的内部总线（如AXI）与CPU核心通信。

• 应用场景：几乎所有现代路由器、交换机、物联网设备、单板计算机（如树莓派）。这是空间和成本最优化的方案。

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总结

 

方案	MAC位置	PHY位置	CPU与网络的连接方式	典型应用
独立模式	独立芯片	独立芯片	PCIe -> 独立MAC芯片 -> (SGMII) -> 独立PHY芯片	高性能服务器网卡
集成模式	与PHY集成	与MAC集成	PCIe -> 网络芯片（MAC+PHY）	普通USB/PCIe网卡
SoC集成模式	集成在CPU/Soc内部	独立芯片	CPU内部MAC -> (SGMII/RGMII) -> 独立PHY芯片	路由器、嵌入式设备（最常见）

所以，简单来说：

• MAC 是“经理”，负责决策和打包任务。

• PHY 是“工人”，负责实际执行和搬运。

• CPU 是“老板”，给经理下达指令。

• 它们可以分开办公（独立芯片），也可以在同一个办公室工作（集成芯片）。在嵌入式领域，老板（CPU）常常直接把经理（MAC）带在身边，只外聘一个工人（PHY）。