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核心概念：MAC 與 PHY

首先要理解，一個完整的網絡控制器通常分為兩部分：

1. MAC（Media Access Control）：負責數據鏈路層，處理數據幀的組裝、尋址、錯誤校驗等。現在，MAC通常都集成在CPU或SoC內部。

2. PHY（Physical Layer）：負責物理層，實現數字信號與模擬信號的轉換，驅動網線、光纖等物理介質。

MAC 和 PHY 之間需要一個標準的接口來進行通信，這就是您問到的協議。

主流的 MAC-PHY 接口協議（從老到新）

以下是幾種常見的接口協議，SGMII 是當前最常見的一種。

1. MII（Media Independent Interface）

• 誕生年代：早期

• 特點：

  • 并行接口：需要16根數據和控制信號線。

  • 引腳多：導致PCB布線復雜，芯片引腳數量多。

  • 速度：支持10Mbps和100Mbps。

• 現狀：基本已被淘汰，僅在一些老舊設備上能看到。

2. RMII（Reduced MII）

• 特點：

  • MII的簡化版，將數據線從16根減少到7根。

  • 同樣支持10M/100Mbps。

  • 在成本敏感和引腳數量受限的嵌入式設備中很常見。

• 現狀：在百兆網絡應用中仍然廣泛使用。

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

• GMII：為千兆以太網設計，但同樣是并行接口，引腳數更多。

• RGMII：這是千兆以太網最常見、最主流的接口之一。

  • 特點：

    • GMII的簡化版，數據線大幅減少。

    • 采用 DDR（雙倍數據速率） 技術，在時鐘的上升沿和下降沿都傳輸數據。

    • 支持10M/100M/1000Mbps。

  • 現狀：大量用于千兆網絡芯片和嵌入式CPU的連接。

4. SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）

• 特點：

  • 串行接口：只有一對差分發送線和一對差分接收線（共4個引腳），極大地減少了引腳數量。

  • 高速：每對差分線以1.25Gbps的速率運行。

  • 靈活性高：除了用于連接PHY芯片，還可以直接與光纖模塊（SFP）等設備連接。

  • 支持速率自協商和多種配置。

• 現狀：這是當前千兆及更高速率應用中最主流的接口之一，尤其是在需要簡化布線、高速率和靈活性的場景。

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

• 特點：

  • 支持從10M到10G的多種速率，是“萬能”型接口。

  • 同樣是串行接口，引腳數少。

• 現狀：主要用于2.5G、5G和10G等多速率自適應場景。

•  

核心答案：MAC 和 PHY 是一個芯片嗎？

不完全是。存在兩種主流方案：

1. 獨立芯片：MAC 和 PHY 是兩顆獨立的芯片。

2. 集成芯片：MAC 和 PHY 被集成在一顆芯片里。

而 CPU 與它們的連接方式，也因上述方案而異。

為了讓您一目了然，我們通過下圖來展示這兩種架構及其連接關系：

詳細解釋

1. MAC 和 PHY 的角色分工

首先，必須理解它們的功能分工，這決定了為什么需要這兩種芯片：

• MAC（媒體訪問控制器）：

  • 職責：工作在數據鏈路層。

  • 具體工作：負責數據幀的組裝、尋址（源/目的MAC地址）、差錯校驗（CRC）、流量控制等。它處理的是規整的“數字數據包”。

• PHY（物理層接口）：

  • 職責：工作在物理層。

  • 具體工作：負責將MAC傳來的數字信號，通過調制編碼（如MLT-3、PAM4等），轉換成可以在網線、光纖上傳輸的模擬信號，并驅動物理介質。同時，它也負責接收模擬信號并將其解調為數字信號傳給MAC。它處理的是 electrical signal。

2. 三種架構方案詳解

現在，我們結合上圖，對三種方案進行詳細說明：

方案一：獨立模式 - CPU + MAC芯片 + PHY芯片

• 連接方式：

  • CPU 與 MAC：通過PCIe總線連接。MAC控制器對于CPU來說，就是一個PCIe設備。

  • MAC 與 PHY：通過標準接口連接，例如我們之前討論的 SGMII、RGMII 等。這些接口定義了數據、時鐘和控制信號的電氣規范和時序。

• 應用場景：早期系統、高性能網卡（服務器、高端路由器），以及當CPU內部沒有集成MAC時。

方案二：集成模式 - CPU + 網絡芯片（MAC+PHY集成）

• 連接方式：

  • CPU 與 網絡芯片：同樣通過PCIe總線連接。

  • 芯片內部：MAC和PHY被封裝在同一顆芯片內部，它們之間通過內部總線連接，對使用者來說是透明的。

• 應用場景：最常見的USB網卡、普通PCIe網卡。這種方案簡化了PCB設計，降低了成本。

方案三：SoC集成模式 - CPU（集成MAC） + 外部PHY芯片

• 連接方式：

  • CPU 與 PHY：這是最直接、最常用的嵌入式方案。CPU/Soc內部已經集成了MAC控制器，它直接通過 SGMII、RGMII 等接口連接到外部的PHY芯片。

  • CPU 內部：集成MAC通常會作為一個內部外設，通過SoC的內部總線（如AXI）與CPU核心通信。

• 應用場景：幾乎所有現代路由器、交換機、物聯網設備、單板計算機（如樹莓派）。這是空間和成本最優化的方案。

總結

所以，簡單來說：

• MAC 是“經理”，負責決策和打包任務。

• PHY 是“工人”，負責實際執行和搬運。

• CPU 是“老板”，給經理下達指令。

• 它們可以分開辦公（獨立芯片），也可以在同一個辦公室工作（集成芯片）。在嵌入式領域，老板（CPU）常常直接把經理（MAC）帶在身邊，只外聘一個工人（PHY）。