以太网PHY寄存器分析.docx
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以太网PHY寄存器分析
以太网PHY寄存器分析
1、以太网PHY标准寄存器分析
PHY是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（stationmanagemententity，管理实体，一般为MAC或CPU）通过SMI（SerialManageInterface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。
PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器（随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器，在此不作讨论），IEEE802.3定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义，如表1所示。
以下结合实际应用，对IEEE802.3定义的寄存器各项功能进行分析。
表1PHY管理寄存器集
Registeraddress
Registername
Basic/Extended
MIIGMII
0
Control
B
B
1
Status
B
B
2,3
PHYIdentifier
E
E
4
Auto-NegotiationAdvertisement
E
E
5
Auto-NegotiationLinkPartnerBasePageAbility
E
E
6
Auto-NegotiationExpansion
E
E
7
Auto-NegotiationNextPageTransmit
E
E
8
Auto-NegotiationLinkPartnerReceivedNextPage
E
E
9
MASTER-SLAVEControlRegister
E
E
10
MASTER-SLAVEStatusRegister
E
E
11through14
Reserved
E
E
15
ExtendedStatus
Reserved
B
16through31
VendorSpecific
E
E
1.1ControlRegister
寄存器0是PHY控制寄存器，通过ControlRegister可以对PHY的主要工作状态进行设置。
ControlRegister的每一位完成的功能见表2。
表2ControlRegister
Bit（s）
Name
Description
R/Wa
0.15
Reset
1=PHYreset
0=normaloperation
R/WSC
0.14
Loopback
1=enableloopbackmode
0=disableloopbackmode
R/W
0.13
SpeedSelection（LSB）
0.60.13
11=Reserved
10=1000Mb/s
01=100Mb/s
00=10Mb/s
R/W
0.12
Auto-NegotiationEnable
1=EnableAuto-NegotiationProcess
0=DisableAuto-NegotiationProcess
R/W
0.11
PowerDown
1=powerdown
0=normaloperation
R/W
0.10
Isolate
1=electricallyIsolatePHYfromMIIorGMII
0=normaloperation
R/W
0.9
RestartAuto-Negotiation
1=RestartAuto-NegotiationProcess
0=normaloperation
R/WSC
0.8
DuplexMode
1=FullDuplex
0=HalfDuplex
R/W
0.7
CollisionTest
1=enableCOLsignaltest
0=disableCOLsignaltest
R/W
0.6
SpeedSelection（MSB）
0.60.13
11=Reserved
10=1000Mb/s
01=100Mb/s
00=10Mb/s
R/W
0.5:
0
Reserved
Writeas0,ignoreonRead
R/W
Reset：
Bit15控制的是PHY复位功能，在该位置写入1实现对PHY的复位操作。
复位后该端口PHY的其他控制、状态寄存器将恢复到默认值，每次PHY复位应该在0.5s的时间内完成，复位过程中Bit15保持为1，复位完成之后该位应该自动清零。
一般要改变端口的工作模式（如速率、双工、流控或协商信息等）时，在设置完相应位置的寄存器之后，需要通过Reset位复位PHY来使配置生效。
Loopback：
Loopback是一个调试以及故障诊断中常用的功能，Bit14置1之后，PHY和外部MDI的连接在逻辑上将被断开，从MAC经过MII/GMII（也可能是其他的MAC/PHY接口）发送过来的数据将不会被发送到MDI上，而是在PHY内部（一般在PCS）回环到本端口的MII/GMII接收通道上，通过Loopback功能可以检查MII/GMII以及PHY接口部分是否工作正常，对于端口不通的情况可用于故障定位。
需要注意的是，很多时候PHY设置Loopback后端口可能就Linkdown了，MAC无法向该端口发帧，这时就需要通过设置端口ForceLinkup才能使用Loopback功能。
案例：
在S3760-12SFP/GT开发过程中，我们曾经出现过一个故障，其中有一片PHY（88E1145）对应的端口发送的帧出现CRC错误，当时这个问题的排查过程经历和很长的时间，最后得出的结论是RGMII的接口电平配置电阻焊接混料导致故障。
我们姑且不去考虑这个案例实际的解决过程，在这里讨论一下如何通过Loopback功能对该问题进行定位。
首先介绍一下S3760交换部分的架构，MAC芯片为98EX126，通过RGMII接口连接到PHY芯片88E1145，MAC通过PCI管理总线连接到CPU。
在这个案例中，查看88E1145的资料，其Loopback操作在PCS子层完成，两个方向的Loopback，如下图所示。
第一种模式，从MAC经过RGMII发送的帧到达PCS后被Loopback到RGMII的接收通道再送回给MAC（这种模式就是上面所描述的寄存器0Loopback位控制的Loopback模式），另一种模式，从MDI接收上来的帧到达PCS后被Loopback到MDI的发送通道，这种Loopback模式在IEEE802.3中并没有要求，但是目前常见的PHY都支持该功能。
分别做这两种Loopback操作，可以发现第一种Loopback操作之后可以在MAC上检测到CRC错误，而第二种Loopback模式，用SMB从端口砸帧再Loopback回来没有检测到CRC错误，这样我们就可以判断故障应该在PCS以上的部分，并且，两种Loopback模式下PHY的PCS都有再工作，基本上也可以排除PCS的故障。
因此可以进一步定位到故障在PHY的RGMII或者MAC上。
我们就可以去检查这些部分的相关设计来解决问题了。
要进一步更精确的定位问题，我们还可以去查询MAC芯片是否有类似的端口Loopback功能，如果有则在MAC内部也做一下Loopback观察是否有CRC；如果没有，可以将MAC和PHY的RGMII接口断开，将MAC的RGMII发送和接收通道自己连接起来，将PHY的RGMII发送和接收通道自己连接起来，分别做砸帧测试观察有没有CRC，这样就可以进一步的缩小范围。
不过这个S3760的案例有其特殊性，98EX126没有端口的Loopback功能，而MAC的RGMII发送信号直接连接到PHY，中间没有电阻，而且两者都是BGA封装，这两个实验都没办法进行。
因此故障排查中需要检查的范围就比较广一点了。
但是从中我们我们可以看出，Loopback操作在故障定位中可以起到将各个功能模块隔离定位的作用，虽然这些模块在物理上是集成在一个芯片中的。
这种分割隔离的思想在故障定位中是非常重要的。
SpeedSelection：
Bit13和Bit6两位联合实现对端口的速率控制功能，具体的对应关系祥见表2。
需要注意的是SpeedSelection只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用；并且，对SpeedSelection的修改设置，往往需要复位端口才能配置生效。
因此在设置该位置的时候需要检查自动协商的设置并通过Bit15复位端口。
Auto-NegotiationEnable：
自动协商（AN）开关。
设置为1表示打开AN功能，端口的工作模式通过和连接对端进行AN来确定。
如果设置为0则AN功能关系，端口的工作模式通过ControlRegister相应位置的配置决定。
必须注意的是，对于1000BASE-T接口,自动协商必须打开。
PowerDown：
端口工作开关。
设置为1将使端口进入PowerDown模式，正常情况下PHY在PowerDown模式其MII和MDI均不会对外发送数据。
PowerDown模式一般在软件shutdown端口的时候使用，需要注意的是端口从PowerDown模式恢复，需要复位端口以保证端口可靠的连接。
Isolate：
隔离状态开关。
改位置1将导致PHY和MII接口之间处于电气隔离状态，除了MDC/MDIO接口的信号外，其他MII引脚处于高阻态。
IEEE802.3没有对Isolate时MDI接口的状态进行规范，此时MDI端可能还在正常运行。
Isolate在实际应用中并没有用到。
并且，值得注意的是，由于目前很多百兆的PHY芯片其MAC接口主流的都是SMII/S3MII，8个端口的接口是相互关联的，一个端口设置Isolate可能会影响其他端口的正常使用，因此在使用中注意不要随意更改bit10的状态。
RestartAuto-Negotiation：
重新启动自动协商开关。
Bit9置1将重新启动端口的自动协商进程，当然前提是Auto-NegotiationEnable是使能的。
一般在修改端口的自动协商能力信息之后通过Bit9置1重新启动自动协商来使端口按照新的配置建立link。
DuplexMode：
双工模式设置。
Bit8置1端口设置为全双工，置0则端设置为半双工，和SpeedSelection的设置一样，DuplexMode的设置只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用，端口的双工模式根据AN结果来定。
对DuplexMode的修改配置也需要复位端口才能生效。
CollisionTest：
冲突信号（COL）测试开关。
在需要对COL信号进行测试时，可以通过Bit7置1，这时PHY将输出一个COL脉冲以供测试。
实际测试操作中也可以将端口配置为半双工状态，通过发帧冲突来测试COL信号，因此该配置实用价值不大。
1.2Statusregister
寄存器1是PHY状态寄存器，主要包含PHY的状态信息，大多数bit的值都是由芯片厂家确定的，每一个bit的功能在表3种已有详细说明。
其中指示PHY所具有的工作模式能力的寄存器不再多讲，值得注意的有以下几位。
表3Statusregister
Bit（s）
Name
Description
R/Wa
1.15
100BASE-T4
1=PHYabletoperform100BASE-T4
0=PHYnotabletoperform100BASE-T4
RO
1.14
100BASE-XFullDuplex
1=PHYabletoperformfullduplex100BASE-X
0=PHYnotabletoperformfullduplex100BASE-X
RO
1.13
100BASE-XHalfDuplex
1=PHYabletoperformhalfduplex100BASE-X
0=PHYnotabletoperformhalfduplex100BASE-X
RO
1.12
10Mb/sFullDuplex
1=PHYabletooperateat10Mb/sinfullduplexmode
0=PHYnotabletooperateat10Mb/sinfullduplexmode
RO
1.11
10Mb/sHalfDuplex
1=PHYabletooperateat10Mb/sinhalfduplexmode
0=PHYnotabletooperateat10Mb/sinhalfduplexmode
RO
1.1
100BASE-T2FullDuplex
1=PHYabletoperformfullduplex100BASE-T2
0=PHYnotabletoperformfullduplex100BASE-T2
RO
1.9
100BASE-T2HalfDuplex
1=PHYabletoperformhalfduplex100BASE-T2
0=PHYnotabletoperformhalfduplex100BASE-T2
RO
1.8
ExtendedStatus
1=ExtendedstatusinformationinRegister15
0=NoextendedstatusinformationinRegister15
RO
1.7
Reserved
ignorewhenread
RO
1.6
MFPreambleSuppression
1=PHYwillacceptmanagementframeswithpreamblesuppressed.
0=PHYwillnotacceptmanagementframeswithpreamblesuppressed.
RO
1.5
Auto-NegotiationComplete
1=Auto-Negotiationprocesscompleted
0=Auto-Negotiationprocessnotcompleted
RO
1.4
RemoteFault
1=remotefaultconditiondetected
0=noremotefaultconditiondetected
RO/LH
1.3
Auto-NegotiationAbility
1=PHYisabletoperformAuto-Negotiation
0=PHYisnotabletoperformAuto-Negotiation
RO
1.2
LinkStatus
1=linkisup
0=linkisdown
RO/LL
1.1
JabberDetect
1=jabberconditiondetected
0=nojabberconditiondetected
RO/LH
1
ExtendedCapability
1=extendedregistercapabilities
0=basicregistersetcapabilitiesonly
RO
Auto-NegotiationComplete：
AN完成状态指示位。
Bit5指示的是端口AN进程是否完成的状态位。
在ANEnable的情况下，Bit5=1表示自动协商进程已经成功结束，此时PHY的其他和Link状态相关的寄存器才是正确可靠的。
如果AN进程没有完成，则这些状态信息可能是错误的。
在调试以及异常故障处理时，可以通过该位寄存器的状态判断AN是否成功，从而进一步的检查AN相关的设置是否正确，或者芯片的AN功能是否正常等。
RemoteFault：
远端错误指示位。
Bit4=1代表连接对端（LinkPartner）出错，至于出错的具体类型以及错误检测机制在规范中并没有定义，由PHY的制造商自由发挥，一般的厂商都会在其他的寄存器（Register16-31由厂商自行定义）指示比较详细的错误类型。
在与端口相关的故障查证中，RemoteFault是一个重要的指示信息，通过互联双方的RemoteFault信息（可能要加上其他的具体错误指示），可以帮助定位故障原因。
LinkStatus：
Link状态指示位。
Bit2=1代表端口Linkup，0则代表端口Linkdown。
实际应用中一般都是通过Bit2来判断端口的状态。
而且，一般的MAC芯片也是通过轮询PHY的这个寄存器值来判断端口的Link状态的（这个过程可能有不同的名称，比如BCM叫做LinkScan，而Marvell叫做PHYPolling。
）如前所述，在ANEnable的情况下，LinkStatus的信息只有在Auto-NegotiationComplete指示已经完成的情况下才是正确可靠的，否则有可能出错。
案例：
曾经有发现过一个故障，我司S3760的SFP端口和Cisco设备互联，发现端口Link指示灯已经点亮，但是软件显示的端口状态却是Linkdown，并且端口也不能转发帧。
读取S3760的PHY寄存器，发现LinkStatus=1，而读MAC的状态寄存器，发现其Link状态位为0，软件就是据此判断端口为Linkdown的。
可以看出，故障的直接原因是MAC和PHY的Link状态不一致。
但是为什么MAC和PHY状态不一致呢？
读取Auto-NegotiationComplete状态指示寄存器，发现Auto-NegotiationComplete=0，显然自动协商没有完成。
检查互联双方的端口配置，我司S3760的配置为ANEnable，而Cisco设备AN是Disable的。
这样的配置显然自动协商不可能完成，将我司S3760的端口也配置为ANDisable的强制状态，端口即可以正常LinkUp和转发帧了。
同时据此信息向芯片制造商方面咨询，对方的答复是，PHYPolling查询PHY状态时，如果端口为ANEnable，则一定要等待Auto-NegotiationComplete=1，才认为PHY的Linkstatus有效。
这就可以解释为什么MAC和PHY的Link状态不一样了。
但是，为什么PHY的在AN尚未完成的时候Linkstatus就已经置1了呢？
原来3760的PHY有一个配置，1000BASE-XANBypass功能，PHY如果在AN过程中没有收到对方的AN信息，则可以跳过AN进程，通过检测Serdes接口上的信号来建立Link。
这本来是一个很好的特色功能，可是由于PHY通过1000BASE-XANBypass功能来建立Link之后却没有将Auto-NegotiationComplete位置1，和MAC的PHYPolling进程矛盾了，导致MAC和PHY的Link状态不一致。
（大家可以实际尝试一下，电口的自动协商同时还定义了一个ParallelDetect功能，可以让一个ANEnable的端口和一个ANDisable的端口建立Link，但是PHY通过ParallelDetect建立Link其Auto-NegotiationComplete位是置1的。
）至此，解决的办法就是关闭PHY的1000BASE-XANBypass功能，故障就解决了。
JabberDetect：
Jabber检测指示位。
IEEE802.3对Jabber的解释是“Aconditionwhereinastationtransmitsforaperiodoftimelongerthanthemaximumpermissiblepacketlength,usuallyduetoafaultcondition”。
这一位指示的是LinkPartner发送的时间超过了规定的最大长度。
值得注意的是，JabberDetect只有在10BASE-T模式下才有意义，100和1000M模式是没有定义Jabber这一功能的。
1.3PHYIdentifierRegister
寄存器2和3存放PHY芯片的型号代码，由芯片制造商自行定义，实际应用中软件通过读取这两个寄存器的内容可以识别PHY的型号和版本，这些内容都是只读寄存器，对PHY的功能没有影响，也不反映PHY的工作状态，实用价值不大。
1.4Auto-NegotiationAdvertisementRegister
寄存器4是自动协商的能力通告寄存器，在ANEnable的前提下（见寄存器0），端口根据该寄存器的相关配置将自动协商信息通过FLP在MDI上进行通告。
当AN配置为Disable状态的时候，寄存器4的配置将不起作用，端口的工作模式由控制寄存器中的配置决定。
寄存器4的详细定义对电口和光口PHY上有不同的定义，其中电口PHY的具体说明如表4A。
每个bit的功能已有详细描述，无需赘述。
表4AAuto-NegotiationAdvertisementRegister（Copper）
Bit（s）
Name
Description
R/W
4.15
NextPage
0=NextPageabilityisnotsupported/NoNPtoexchange
1=NextPagetoexchange
R/W
4.14
Reserved
Writeaszero,ignoreonread
RO
4.13
RemoteFault
0=don'ttransmitRemoteFaultInformation
1=transmitRemoteFaultInformation
R/W
4.12:
5
TechnologyAbilityField
TechnologiessupportedbylocalPHYtoAdvertise
R/W
4.4:
0
SelectorField
thetypeofmessagebeingsentbyAuto-Negotiation
R/W
Bit12：
5对应自动协商广播能力域（TechnologyAbilityField），每一位分别对应为A[7
升级会员 