以太网芯片MAC和PHY的关系
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网卡工作在osi的最后两层，物理层和数据链路层。
物理层的芯片称之为PHY。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。
以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器， 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。
MAC和PHY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），很多网卡的这两个部分是做到一起的。
PHY和MAC之间互连的界面是IEEE定义的标准：MII/GigaMII(Media Independed Interfade，介质独立界面)。MII界面传递了网络的所有数据和数据的控制。
写文章的这天有人在网上问， 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，那网卡实际能不能接收到数据？ 下面是我在网上讨论的整理：
这里面有很多细节， 我根据Intel网卡的Spec大概写了写， 想尽量写的通俗一些，所以没有刻意用Spec里的术语，另外本文虽然讲的是MAC/PHY，但光口卡的（SERDES）也是类似的。
1. PCI设备做reset以后进入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都不工作，PHY是工作在一个特殊的低电源状态的。
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, 这就是D0active。此时PHY/MAC就使能了。
3. PHY被使能应该就可以接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。但这类包一般是流量间歇发送的.
4. 驱动程序一般要通过寄存器来控制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， 如果没有驱动设置控制寄存器的一个位（CTRL.SLU )的话， MAC和PHY是不能通讯的， 就是说MAC不知道PHY的link已经ready, 所以收不到任何数据的。这位设置以后， 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. 即使Link已经UP， MAC还需要enable接收器的一个位（RCTL.RXEN ），包才可以被接收进来，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接收。Intel的最新千兆网卡发送接收队列的动态配置就是依靠这个位的，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， 驱动可以去修改这个寄存器，现代网卡通常支持很多MAC地址，也就是说，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应该是工作的，但因为没有人设置控制位（CTRL.SLU）来让MAC和PHY建立联系，所以MAC是不收包的。这个控制位在reset时会再设置成0。
9. PHY可以被软件设置加电和断电， 断电状态除了接收管理命令以外，不会接收数据。另外，PHY还能工作在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, 所以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。
11. 要详细了解PHY，最终还是要熟悉IEEE以太网的相关协议。
问：如何实现单片以太网微控制器？
答：诀窍是将微控制器、以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合进同一芯片，这样能去掉许多外接元器件。这种方案可使MAC和PHY实现很好的匹配，同时还可减小引脚数、缩小芯片面积。单片以太网微控制器还降低了功耗，特别是在采用掉电模式的情况下。
问：以太网MAC是什么？
答：MAC就是媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。最新的MAC同时支持10Mbps和100Mbps两种速率。通常情况下，它实现MII接口。
问：什么是MII？
答：MII即媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口(图1)。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。
问：以太网PHY是什么？
答：PHY是物理接口收发器，它实现物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范。
问：造成以太网MAC和PHY单片整合难度高的原因是什么？
答：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。
问： 除RJ-45接口外，还需要其它元件吗？
答：需要其它元件。虽然PHY提供绝大多数模拟支持，但在一个典型实现中，仍需外接6、7只分立元件及一个局域网绝缘模块。绝缘模块一般采用一个1：1的变压器。这些部件的主要功能是为了保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏。
问：10BaseT和100BaseTX PHY实现方式不同的原因何在？
答：两种实现的分组描述本质上是一样的，但两者的信令机制完全不同。其目的是阻止一种硬件实现容易地处理两种速度。10BaseT采用曼彻斯特编码，100BaseTX采用4B/5B编码。
问：什么是曼彻斯特编码？
答：曼彻斯特编码又称曼彻斯特相位编码，它通过相位变化来实现每个位(图2)。通常，用一个时钟周期中部的上升沿表示“1”，下降沿表示“0”。周期末端的相位变化可忽略不计，但有时又可能需要将这种相位变化计算在内，这取决于前一位的值。
问：什么是4B/5B编码？
答：4B/5B编码是一种块编码方式。它将一个4位的块编码成一个5位的块。这就使5位块内永远至少包含2个“1”转换，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销。
作者：William Wong，嵌入式/系统/软件编辑，《Electronic Design》
网卡工作在osi的最后两层，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。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器。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）。
下面继续让我们来关心一下PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的。通过IEEE定义的标准的MII/GigaMII(Media Independed Interfade，介质独立界面)界面连接MAC和PHY。这个界面是IEEE定义的。MII界面传递了网络的所有数据和数据的控制。而MAC对PHY 的工作状态的确定和对PHY的控制则是使用SMI(Serial Management Interface)界面通过读写PHY的寄存器来完成的。PHY里面的部分寄存器也是IEEE定义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里面，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，例如连接速度，双工的能力等。当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的，例如流控的打开关闭，自协商模式还是强制模式等。我们看到了，不论是物理连接的MII界面和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有IEEE的规范的，因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。一片网卡主要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，通常是一颗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引导系统等东西。很多网卡上还有 BOOTROM这个东西。它是用于无盘工作站引导操作系统的。既然无盘，一些引导用必需用到的程序和协议栈就放到里面了，例如RPL、PXE等。实际上它就是一个标准的PCI ROM。所以才会有一些硬盘写保护卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其实PCI设备的ROM是可以放到主板BIOS里面的。启动电脑的时候一样可以检测到这个ROM并且正确识别它是什么设备的。AGP在配置上和PCI很多地方一样，所以很多显卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面。这就是为什么板载的网卡我们从来没有看到过BOOTROM的原因。
2。工作过程， PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据(对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC)，每4bit就增加 1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。现在来了解PHY的输出后面部分。一颗CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于 0V的(这取决于芯片的制程和设计需求)，但是这样的信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部网现直接和芯片相连的话，电磁感应(打雷)和静电，很容易造成芯片的损坏。再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。我们如何解决这个问题呢？这时就出现了Transformer(隔离变压器)这个器件。它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。隔离变压器本身就是设计为耐2KV~3KV的电压的。也起到了防雷感应(我个人认为这里用防雷击不合适)保护的作用。有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是隔离变压器起到了保护作用。
文章出处：DIY部落(http://www.diybl.com/course/6_system/linux/Linuxjs/20090304/157576.html)
以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术，该技术基于IEEE制定的IEEE 802.3标准，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。