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🔨 整理中 · 这一篇深入讲 网络 PHY(物理层) 子系统——网卡里那颗"MAC 和网线之间"的 PHY 芯片(REALTEK RTL8211/Marvell 88E1512/Aquantia AQR 等千兆/万兆 PHY)的驱动框架(phylib)。素材以 6.19 源码 + kernel.org PHY 文档 为权威。它是 14 netdev 的"物理层一半"展开。

做什么 ​

一块以太网网卡其实有两部分:MAC(Media Access Controller,负责帧封装/收发调度,通常集成在 SoC 里)和 PHY(Physical layer,负责物理信号编码:4B/5B/PAM5/1000BASE-T 的线编码、Line driver 驱动双绞线)。MAC 和 PHY 之间走 MII/GMII/RGMII/SGMII 接口(数据线 + MDIO 管理总线)。内核网络栈只跟 MAC 通信(发帧给 MAC),但 PHY 要单独管——协商速率(10/100/1000M)、双工、自协商(autoneg)、链路状态、线缆诊断。phylib(drivers/net/phy/)就是 PHY 芯片的统一框架:不同厂商 PHY 各填一个 phy_driver,phylib 提供状态机 + MDIO 总线 + 和 MAC(net_device)的桥接。这一篇拆 phylib 的三件套 + PHY 状态机 + 现代 phylink。

要了解什么 ​

一、三件套:mii_bus(MDIO 总线) / phy_device(PHY 实例) / phy_driver ​

  • struct mii_bus(MDIO 总线):MAC 通过 MDIO/MDC(两根管理线)读写 PHY 的寄存器(IEEE 802.3 Clause 22/45 定义)。一条 MDIO 总线可挂 32 个 PHY(各一个 5 位地址)。mii_bus 描述这条总线 + read/write 回调(MAC 控制器驱动填,操作 MDIO 寄存器)。MAC 驱动注册 mii_bus,mdiobus_register。
  • struct phy_device(include/linux/phy.h:662):一个 PHY 实例——挂在某 mii_bus 上、有地址(phy_addr)、芯片 ID(读 PHY 寄存器 2/3 拿 vendor:model:rev)、当前状态(链路 up/down/速率/双工)。启动时 phylib 扫描 MDIO 总线,为每个存在的 PHY 创建一个 phy_device。
  • struct phy_driver(:1115):PHY 驱动,匹配靠 ID(vendor OUI + model),核心回调:soft_reset/config_init(芯片初始化)/config_aneg(启动自协商)/read_status(读链路状态:link/speed/duplex)/config_intr/handle_interrupt/suspend/resume。

配对:扫描时读 PHY 寄存器 2/3 拿 ID,匹配 phy_driver 的 phy_id/phy_id_mask,命中则 attach。

二、PHY 寄存器:Clause 22 vs Clause 45 ​

  • Clause 22(老,寄存器 0-31):基本控制(0)、状态(1)、PHY ID(2/3)、自协商广播(4/5)、1000BASE-T 控制(9)/状态(10)。phy_read(phydev, regnum)(:1648)/phy_write 走这套。RTL8211/88E1512 这类千兆 PHY 用 Clause 22 + 扩展页。
  • Clause 45(新,45/10GBASE-R/SFP+ 用):寄存器空间大(按 device type + 16-bit 地址),多用于万兆 PHY(Aquantia AQR)。__mdiobus_read_c45/phy_read_mmd 这套 API。

phy_read(phydev, MII_BMCR) 读基本控制寄存器、phy_read(phydev, MII_BMSR) 读状态(link up 位等)。PHY 驱动 read_status 就是读这些寄存器、解析成 phydev->speed/duplex/link。

三、PHY 状态机:自协商 + 链路 ​

PHY 上电后典型流程:config_init(芯片特定初始化,写默认寄存器)→ config_aneg(启动自协商:PHY 和对端互相广播能力,协商出最高公共速率/双工)→ 轮询/中断检查链路状态 → read_status(链路 up 时读出协商出的 speed/duplex)。

phylib 有个状态机(phy_state:UP/DOWN/ANEG/READY/NOLINK/RUNNING),靠 phy_status_poll(定时轮询)或 PHY 中断驱动状态转换。链路状态变化(up→down 或 down→up)时,phylib 通知 MAC(phy_mac_interrupt → MAC 调整)。

老的 MAC 驱动直接和 phylib attach(phy_find_first/phy_connect),自己管"PHY 状态变化 → 调 MAC 配置"。但现代网络(SFP+ 可插拔、固定链接、PHY-less 直连)场景复杂,内核引入 phylink(drivers/net/phy/phylink.c)作为 MAC 和 PHY 之间的一层:phylink 统一处理"PHY 在/不在、固定速率、SFP 模块插入"各种情况,给 MAC 一致的回调(phylink_mac_ops:mac_config/mac_link_up/mac_link_down)。新 MAC 驱动一律走 phylink,不直接碰 phylib。

五、用户态:ethtool ​

ethtool eth0 调一系列 ioctl 给 PHY:读链路状态/速率/双工(ethtool eth0)、改自协商(ethtool -s eth0 autoneg on/off speed 1000 duplex full)、看 PHY 寄存器(ethtool -d eth0 寄存器 dump)、线缆诊断(ethtool --phy-tunable/TDR)。这些 ioctl 走 net_device → phylib → PHY 驱动的 read/write 回调。

六、实战:RTL8211(千兆 PHY) ​

RTL8211(Realtek)是嵌入式板最常见的千兆 PHY(Raspberry Pi CM4、很多 SoC 板用它)。驱动 drivers/net/phy/realtek.c:

c
static struct phy_driver realtek_drvs[] = {
    PHY_ID_MATCH_EXACT(0x001cc916),  /* RTL8211F 的 ID(vendor:model) */
    .name            = "RTL8211F Gigabit Ethernet",
    .config_init     = rtl8211f_config_init,  /* 配 RX/TX delay、LED */
    .config_aneg     = genphy_config_aneg,    /* 通用自协商(phylib 提供) */
    .read_status     = rtl8211f_read_status,  /* 读 BMCR/BMSR + 解析 */
    .soft_reset      = genphy_soft_reset,
    ...
};
module_phy_driver(realtek_drvs);

多数千兆 PHY 的 config_aneg/read_status 可直接用 phylib 的通用实现(genphy_*),驱动只填芯片特有的 config_init(RX delay 等寄存器)。module_phy_driver 宏一行注册。

七、踩坑 ​

  • RGMII delay:MAC 和 PHY 之间 RGMII 接口的时钟延迟(RX/TX delay)在哪一侧设(MAC 侧还是 PHY 侧)是经典坑——设备树 phy-mode = "rgmii-id"(PHY 内部加 delay)/"rgmii-txid"/"rgmii-rxid"/"rgmii"(不加,MAC 加)。配错链路通但大量丢包/误码。
  • 自协商关不掉某些速率:某些 PHY/交换机组合,自协商关了不识别固定速率。生产环境一般留 autoneg on。
  • Clause 45 vs 22 配错:万兆 PHY(AQR)用 C45,MAC 控制器只支持 C22 的话读不到 PHY ID。phy_interface_t/phy-mode 要匹配。
  • SFP+ 模块:SFP 笼子插不同模块(光模块/DAC/铜缆),phylink + SFP bus 动态识别——比固定 PHY 复杂,走 phylink 才好处理。

动手试试 ​

  1. ethtool eth0(宿主机)看 PHY 状态(Speed/Duplex/Link);ethtool -i eth0 看驱动;ethtool -d eth0 | head 看 PHY 寄存器 dump
  2. ethtool -s eth0 speed 100 duplex half autoneg off(强制 100M 半双工)看链路重协商(⚠️ 可能断网)
  3. QEMU virtio-net 没有 PHY(虚拟),要看真实 PHY 在真板或用 phytool 工具
  4. 读 drivers/net/phy/realtek.c(RTL8211,典型千兆)或 micrel.c(KSZ9031)看 phy_driver 怎么填、config_init 怎么写芯片寄存器
  5. 思考题:为什么 MAC 和 PHY 要分开两个芯片 + 两套驱动,而不是一颗芯片全包?(提示:分工、可换 PHY、模拟/数字工艺差异)

延伸阅读 ​

  • 源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/phy.h:662 struct phy_device、:1115 struct phy_driver、:524 struct phy_c45_device_ids、:1648 phy_read;phylib drivers/net/phy/phy_device.c/phy.c(状态机)/phy-core.c;MDIO drivers/net/mdio/;phylink drivers/net/phy/phylink.c;各厂商 PHY drivers/net/phy/<vendor>.c(realtek/micrel/marvell/aquantia/intel...)。
  • kernel.org:PHY、phylink、Documentation/devicetree/bindings/net/ethernet-phy.yaml。
  • 关联本站:14 netdev MAC 驱动 + NAPI、00 driver model PHY 也是设备;PHY 在交换机/路由器/SFP 场景关联 net 子系统。

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