《PHY以太网寄存器解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PHY以太网寄存器解析.docx（20页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、以太网PHY寄存器分析以太网PHY寄存器分析11、 以太网PHY标准寄存器分析21.1 Control Register21.2 Status register51.3 PHY Identifier Register81.4 Auto-Negotiation Advertisement Register81.5 Auto-Negotiation Link Partner Base Page Ability Register91.6 Auto-Negotiation Expansion Register101.7 AN next page Register/AN Link Partner Rec
2、eived Next Page.101.8 MASTER-SLAVE Control Register101.9 MASTER-SLAVE Status Register121.10 Extended Status Register132、PHY扩展寄存器分析132.1 工作模式控制器142.2端口驱动模式152.3预加重配置152.4自动协商降格162.5 Auto-Crossover 配置172.6 MDI信号边沿速率调整182.7错误指示寄存器181、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（station management entity
3、, 管理实体，一般为 MAC 或 CPU）通过 SMI （Serial Manage Interface）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1 PHY管理寄存器集Basic/E
4、xtendedRegister addressRegister nameMIIGMII0ControlBB1StatusBB2,3PHY IdentifierEE4Auto-NegotiationEEAdvertisement5Auto-Negotiation Link PartnerEEBase Page Ability6Auto-Negotiation ExpansionEE7Auto-Negotiation Next PageEETransmit8Auto-Negotiation Link PartnerEEoReceived Next PageQMASTER-SLAVE Control
5、EE9RegisterMASTER-SLAVE Status10EERegister11 through 14ReservedEE15Extended StatusReserved B16 through 31Vendor SpecificEE1.1 Control Register寄存器0是PHY控制寄存器，通过Control Register可以对PHY的主要工 作状态进行设置。Control Register的每一位完成的功能见表2。表2 Control RegisterBit(s)NameDescriptionR/Wa0.15Reset1 = PHY reset0 = normal o
6、perationR/WSC0.14Loopback1 = enable loopback mode0 = disable loopback mode 0.6 0.131 1 = ReservedR/W0.13Speed Selection (LSB)1 0 = 1000 Mb/s0 1 = 100 Mb/s0 0 = 10 Mb/sR/W0.12Auto-Negotiation Enable1 = Enable Auto-Negotiation Process0 = Disable Auto-Negotiation ProcessR/W0.11Power Down1 = power down0
7、 = normal operation1 = electrically Isolate PHY from MII orR/W0.10IsolateGMII0 = normal operationR/W0.9Restart Auto-Negotiation1 = Restart Auto-Negotiation Process 0 = normal operationR/WSC0.8Duplex Mode1 = Full Duplex0 = Half DuplexR/W0.7Collision Test1 = enable COL signal test0 = disable COL signa
8、l test 0.6 0.131 1 = ReservedR/W0.6Speed Selection (MSB)1 0 = 1000 Mb/s0 1 = 100 Mb/s0 0 = 10 Mb/sR/W0.5:0ReservedWrite as 0, ignore on ReadR/WReset： 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
9、，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 Link down 了，M
10、AC无法向该端口发帧，这时就需要通过设置端口 Force Link up 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
11、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
12、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。88E1145 Loopback示意图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，
13、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。Speed S
14、election： 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Speed Selection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 Speed Selection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。一Auto-Negotiation Enable：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Control Re
15、gister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。Power Down:端口工作开关。设置为1将使端口进入Power Down模式， 正常情况下PHY在Power Down模式其MII和MDI均不会对外发送数据。Power Down模式一般在软件shut down端口的时候使用，需要注意的是端口从Power Down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M
16、DI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。Restart Auto-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-Negotiation Enable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
17、立link。Duplex Mode: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Speed Selection的设置一样，Duplex Mode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Duplex Mode的修改配置也需要复位端口 才能生效。Collision Test：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
18、置实用价值不大。1.2 status register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 3 Status registerBit(s)NameDescriptionR/Wa1.15100BASE-T41 = PHY able to perform 100BASE-T40 = PHY not able to perform 100BASE-T41 = PHY able to perform full duplexRO1
19、.14100BASE-X Full100BASE-XRODuplex0 = PHY not able to perform full duplex 100BASE-X1.13100BASE-XHalf Duplex1 = PHY able to perform half duplex 100BASE-X0 = PHY not able to perform half duplexRO100BASE-X1 = PHY able to operate at 10 Mb/s in full1.1210 Mb/s Fullduplex modeRODuplex0 = PHY not able to o
20、perate at 10 Mb/s in full duplex mode1 = PHY able to operate at 10 Mb/s in half1.1110 Mb/s Halfduplex modeRODuplex0 = PHY not able to operate at 10 Mb/s in half duplex mode1 = PHY able to perform full duplex1.1100BASE-T2100BASE-T2ROFull Duplex0 = PHY not able to perform full duplex 100BASE-T21 = PHY
21、 able to perform half duplex1.9100BASE-T2100BASE-T2ROHalf Duplex0 = PHY not able to perform half duplex 100BASE-T21 = Extended status information in Register1.8Extended Status150 = No extended status information inRegister 15RO1.7Reservedignore when read1 = PHY will accept management framesRO1.6MF P
22、reamblewith preamble suppressed.ROSuppression0 = PHY will not accept management frames with preamble suppressed.1.5Auto-Negotiation1 = Auto-Negotiation process completedROComplete0 = Auto-Negotiation process not completed1.4Remote Fault1 = remote fault condition detectedRO/0 = no remote fault condit
23、ion detectedLH1.3Auto-NegotiationAbility1 = PHY is able to perform Auto-Negotiation0 = PHY is not able to perform Auto-NegotiationRO1.2Link Status1 = link is up0 = link is downRO/LL1.1Jabber Detect1 = jabber condition detected0 = no jabber condition detectedRO/LH1Extended1 = extended register capabi
24、litiesROCapability0 = basic register set capabilities onlyAuto-Negotiation Complete： 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AN Enable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。Remote Fault：远端错误指
25、示位。Bit4=1代表连接对端（Link Partner）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，Remote Fault是一个重要 的指示信息，通过互联双方的Remote Fault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。Link Status: Link状态指示位。Bit2=1代表端口 Link up，0则代表端口 Link down。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M
26、AC 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Link Scan，而Marvell叫做PHY Pollingo） 如前所述，在AN Enable的情况下，Link Status的信息只有在Auto-Negotiation Complete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Link down，并且端口也不能转发帧。 读取S3760的PHY寄存器，发现LinkStatus=1，而读
27、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Link down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-Negotiation Complete状态指示寄存器，发现Auto-Negotiation Complete=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AN Enable，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AN Disable的强制状 态，端口即可以正常Link Up和转发帧了。同时据
28、此信息向芯片制造商方面咨询，对方的答 复是，PHY Polling查询PHY状态时，如果端口为AN Enable，则一定要等待Auto-Negotiation Complete=1，才认为PHY的Link status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Link status就已经置1 了呢？原来3760 的PHY有一个配置，1000BASE-X AN Bypass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PH
29、Y通过1000BASE-X AN Bypass功能来建立Link之后却 没有将 Auto-Negotiation Complete 位置 1，和 MAC 的 PHY Polling 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 Parallel Detect功能，可以让一个AN Enable的端口和一个AN Disable的端口建立Link，但 是 PHY 通过 Parallel Detect 建立 Link 其 Auto-Negotiation Complete 位是置 1 的。）至此，解 决的办法就是关闭PHY的1000BA
30、SE-X AN Bypass功能，故障就解决了。Jabber Detect： Jabber 检测指示位 JEEE802.3 对 Jabber 的解释是“A condition wherein a station transmits for a period of time longer than the maximum permissible packet length, usually due to a fault condition”。这一位指示的是Link Partner 发送 的时间超过了规定的最大长度。值得注意的是，Jabber Detect只有在10BASE-T 模式下才有意义，1
31、00和1000M模式是没有定义Jabber这一功能的。1.3 PHY Identifier Register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。1.4 Auto-Negotiation Advertisement Register寄存器4是自动协商的能力通告寄存器，在AN Enable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
32、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 4A Auto-Negotiation Advertisement Register (Copper)Bit(s)NameDescription0=Next Page ability is not supported/No NP toR/W4.15Next Pageexchange1=Next Page to exchangeR/W4.14ReservedWrite as zero,
33、 ignore on read0=dont transmit Remote Fault InformationRO4.13Remote Fault1=transmit Remote Fault InformationR/W4.12:5TechnologyAbility FieldTechnologies supported by local PHY to AdvertiseR/W4.4:0Selector Fieldthe type of message being sent by Auto-NegotiationR/WBit12： 5对应自动协商广播能力域（Technology Abilit
34、y Field），每一位分 别对应为A7： 0，每一位配置一种工作模式的能力。在实际应用中，如果PHY 要支持该种工作模式则对应位置1，若不支持则对应位置0。注意到在这8位能 力指示域中，并没有1000BASE-T能力的对应配置位，1000BASE-T的相关配置 在寄存器 9，MASTER-SLAVE Control Register 来完成。Bit4： 0配置自动协商的类型，规范正在发送的自动协商信息遵从何种规范， 我们所接触的以太网PHY遵从IEEE802.3规范，Selector Field=0001，该区域不 可随意更改（很多PHY将此区域设计为只读寄存器，以免被修改）。Technol
35、ogy Ability FieldMinimum cablingBitTechnologyrequirementA010BASE-TTwo-pair category 3A110BASE-T full duplexTwo-pair category 3A2100BASE-TXTwo-pair category 5A3100BASE-TX full duplexTwo-pair category 5A4100BASE-T4Four-pair category 3A5PAUSE operation for full duplex linksNot applicableA6Asymmetric PA
36、USE operation for full duplex LinksNot applicableA7Reserved for future technology思考：在一个交换机端口上配置Speed 100； Duplex Full； Floecontrol Auto,请问这时 候Register 0和Regiter 4的值应该分别是多少？光口 PHY在这里特指千兆光口(1000BASE-X)的PHY，其自动协商通告 寄存器如表4B所述。需要注意的是，1000BASE-X的AN除了双工和流控信息 之外，并不能协商速率信息，也就是说端口只能工作在1000M模式下。并且， 端口的媒介类型(LX/
37、SX)也不能通过自动协商来解决，因此在应用上必须人工 保证互联双方的速率、媒介类型的一致性，否则结果将是连接失败，AN对此无 能为力。表 4B Auto-Negotiation Advertisement Register ( 1000BASE-X)Bit(s) NameDescriptionR/W0=Next Page ability is not supported/No NP to4.15 Next PageexchangeR/W1=Next Page to exchange4.14 ReservedWrite as zero, ignore on readRO4.13:12 Remot
38、e Fault0=dont transmit Remote Fault InformationR/W1=transmit Remote Fault Information4.11:9 ReservedWrite as zero, ignore on readRO4.8:7 Pause0= dont Advertise Pause capabilityR/W1= Advertise Pause capability4.6 Half Duplex0= dont Advertise 1000BASE-X HD capabilityR/W1= Advertise 1000BASE-X HD capab
39、ility4.5 Full Duplex0= dont Advertise 1000BASE-X FD capabilityR/W1= Advertise 1000BASE-X FD capability4.4:0 ReservedWrite as zero, ignore on readRO1.5 Auto-Negotiation Link Partner Base Page Ability Register寄存器5保存的是本端PHY接收到的对端PHY所通告的端口能力，寄存 器5的结构和寄存器4基本一致。应用上，寄存器5可以用于检测Link partner 的自动协商配置，在端口 Link故
40、障的定位排查中可以发挥重要作用。特别是当 Link Partner不是我司设备的时候，其内部寄存器信息我们是无法获取的，这是 侯就只能通过寄存器5来获取对方的自动协商信息了。不单单是AN信息，端口 的状态信息中所有关于Link Partner状态的指示信息在我们进行故障处理的时候 都是很珍贵的第一手资料，通过分析这些信息对我们进行故障定位将有很大的帮 助。1.6 Auto-Negotiation Expansion Register寄存器6保存了 PHY自动协商过程的异常信息，每一位的作用在表5中一 目了然。从这个寄存其中我们可以获取到Link Partner子否支持自动协商以及自 动协商下一
41、页有没有收到的信息。其中Parallel Detection Fault表示，端口在并行 检测进程中出现了错误，这包含了两层意义：首先PHY已经启动并行检测，则 Linkpartner不支持AN，再则并行检测不能成功的探测到Linkpartner的连接速率 信息。另外，光口(1000BASE-X)PHY的这个寄存器只定义了 bit1和bit2两位， 含义和电口相同，见下表。表 5 Auto-Negotiation Expansion RegisterBit(s)NameDescriptionR/W6.15:5ReservedWrite as zero, ignore on read1 = fa
42、ult detected via the Parallel DetectionRO6.4Parallelfunction.RO/Detection Fault0 = No fault detected via the Par-allel Detection function.LH6.3Link Partner1 = Link Partner is Next Page ableRONext Page Able0 = Link Partner is not Next Page able6.2Next Page Able1 = Local Device is Next Page able0 = Lo
43、cal Device is not Next Page ableRO6.1Page Received1 = A New Page has been receivedRO/0 = A New Page has not been receivedLH6.0Link Partner AN1 = Link Partner is Auto-Negotiation ableROAble0 = Link Partner is not Auto-Negotiation able1.7 AN next page Register/AN Link Partner Received Next Page寄存器7和8分
44、别保存了 Local PHY和Linkpartner的自动协商下一页信息， AN的下一页功能通常在1000M模式的自动协商下使用，详细地寄存器信息要结 合PHY芯片的资料进行分析，本文不作详细讨论。1.8 MASTER-SLAVE Control Register寄存器9保存的是1000BASE-T模式的配置信息，控制PHY的AN信息中 与1000BASE-T相关的协商信息，以及PHY在1000BASE-T模式下的工作模式。 详细信息见表6。表 6 MASTER-SLAVE Control RegisterBit NameDescriptionType9.15:13Test mode bits
45、MASTER-SLATransmitter test mode operations1=Enable MASTER-SLAVE ManualR/W9.12VE Manual Config EnableMASTER-SLAconfiguration value0=Disable MASTER-SLAVE Manual configuration value Default bit value is 0. 1=Configure PHY as MASTER duringR/W9.11VE ConfigValueMASTER-SLAVE negotiation0=Configure PHY as S
46、LAVE duringMASTER-SLAVE negotiationIndicate the preference to oper-ate as MASTERR/W9.10Port type(multiport device) or as SLAVE (sin-gle-port device) if the bit 9.12, is not set.1 = Advertise PHY is 1000BASE-T full duplexR/W9.91000BASE-TFull Duplexcapable.0 = Advertise PHY is not 1000BASE-T full duplex capable.1 = Advertise PHY is 1000BASE-T half duplexR/W9.81000BASE-THalf Duplexcapable.0 = Advertise PHY is not 1000BASE-T half duplex capable.R/W9.7:0ReservedWrite
