揭开以太网PHY的神秘面纱：从零开始搞懂APM32F407中的PHY是什么

只看该作者 · 2025-5-20 14:22

本帖最后由 DKENNY 于 2025-5-20 14:10 编辑

#申请原创# #技术资源# @21小跑堂

前言
如果你是第一次接触以太网（Ethernet，简称ETH），尤其是用APM32F407单片机开发网络应用，可能会被一个名叫PHY的东西搞得晕头转向。文档里提到它，代码里配置它，硬件上还得接它，但它到底是个啥？为什么每次谈到以太网通信都绕不开PHY？

1、引言：PHY是个啥？为啥它这么重要？

这么说吧，假设以太网通信就像一座城市里的快递系统。你的程序（比如一个UDP包）是“货物”，APM32F407单片机是“物流中心”，而网线则是“高速公路”。货物要从物流中心送到客户手中，得经过一系列处理：打包、运输、送到目的地。这个过程中，PHY（Physical Layer，物理层）就像是负责把货物从数字世界（0和1）装上卡车、通过高速公路送到目的地的“司机”。

在APM32F407的以太网模块中，PHY是连接数字信号和物理世界（网线、光纤等）的关键组件。没有PHY，数据就没法通过网线传出去，也没法从网线收进来。简单来说，PHY是让以太网通信“落地”的核心部件，负责把数字信号变成电信号（或光信号），再反过来把电信号变回数字信号。
   但PHY具体干了啥？它怎么跟APM32F407的以太网模块协作？为啥配置它那么麻烦？

2、PHY的定义：它到底是个啥？
   PHY是Physical Layer的缩写，翻译成中文就是“物理层”。在以太网通信的OSI模型（七层网络模型）中，物理层是最低的一层，负责处理与物理介质（如网线、光纤）相关的信号传输。PHY的具体形式通常是一个独立的芯片（比如LAN8720、DP83825），或者集成在某些高级芯片内部。
   简单来说，PHY就是一个“翻译官”：
      - 发送时：把APM32F407的数字信号（0和1）翻译成网线能懂的电信号。
      - 接收时：把网线传来的电信号翻译回数字信号，交给APM32F407处理。
   PHY的工作有点像你家里的路由器和网线之间的“转换器”。没有它，数字世界和物理世界就没法对话。

2.1 PHY和MAC：一对好搭档
   在以太网通信中，PHY总是跟另一个家伙——MAC（Media Access Control，介质访问控制）——形影不离。MAC和PHY就像一对好搭档，分别负责不同的任务：
   - MAC：属于数据链路层，负责“打包”和“拆包”。它把数据加上地址、校验码，变成标准的以太网帧（Frame），或者把收到的帧拆开，交给上层处理。APM32F407的以太网模块内置了MAC功能。
   - PHY：属于物理层，负责“运输”。它把MAC打包好的数据变成物理信号，送到网线，或者把网线上的信号变回数字数据，交给MAC。
   我们可以说，MAC像快递公司的“打包员”，把货物（数据）装箱、贴标签；PHY像“司机”，开着卡车把箱子送到目的地。

   图1：MAC与PHY的协作

3、PHY的作用：它具体干了啥？
   要搞懂PHY的本质，我们得看看它在以太网通信中的具体作用。PHY的“活儿”可以分成三大块：信号转换、链路管理和接口通信。

3.1 信号转换：从数字到物理的“魔法”
   PHY的核心任务是把数字信号和物理信号互相转换。这个过程听起来简单，但其实很复杂，涉及编码、调制和物理传输。
      - 发送过程：
         - APM32F407的MAC把数据（一串0和1）通过接口（比如MII或RMII）传给PHY。
         - PHY把这些0和1编码成适合网线传输的信号。比如，在100Mbps以太网中，PHY会用4B/5B编码（4位数据编码成5位符号）和MLT-3调制（多级传输-3），把数据变成电信号。
         - 这些电信号通过RJ45接口和网线发送出去。
   - 接收过程：
         - PHY从网线接收到电信号（可能是微弱的、带噪声的信号）。
         - PHY解码信号（比如解MLT-3和4B/5B），还原成0和1。
         - 还原后的数字数据通过MII/RMII接口传回MAC。
   总的来说，PHY像个“信号翻译机”，把MAC的“ Morse 码”翻译成网线的“电波语言”，再把电波翻译回Morse 码。

3.2 链路管理：确保“高速公路”畅通
   PHY不仅负责信号转换，还得确保网线这条“高速公路”是通畅的。这包括：
      - 自动协商：PHY会跟对端的设备（比如路由器）“聊天”，商量用多快的速度（10Mbps还是100Mbps）和双工模式（全双工还是半双工）。
      - 链路检测：PHY会检查网线是否插好，链路是否正常。如果网线断了，PHY会通知MAC“路断了，别发数据了”。
      - 错误检测：PHY能检测到信号中的错误（比如噪声干扰），并通过特定信号（像RX_ER）告诉MAC。
   总的来说，PHY像高速公路的“交警”，不仅负责运货，还得检查路况、协调交通规则。

3.3 接口通信：跟MAC的“对话”
   PHY通过标准接口（MII、RMII等）跟MAC通信。这些接口定义了数据和控制信号的传输规则。常见的接口包括：
      - MII：用18根信号线，数据宽度4位，时钟2.5/25MHz。
      - RMII：用9根信号线，数据宽度2位，时钟50MHz。
   PHY通过这些接口接收MAC的数据，发送自己的数据，或者通过管理接口（MDC/MDIO）接受MAC的配置指令。
   总的来说，MII/RMII像MAC和PHY之间的“电话线”，他们通过这根线传递货物和指令。

4、PHY的工作原理：数据是怎么跑起来的？
   现在我们知道PHY是个“翻译官+交警”，但它具体是怎么干活的？让我们以APM32F407和一个常见PHY芯片（比如LAN8720，RMII接口）为例，详细剖析PHY的工作原理。

4.1 PHY的内部结构
   PHY芯片内部就像一个小型工厂，包含几个关键模块：
      - 模拟前端（AFE）：负责把数字信号变成模拟电信号，或者把模拟信号变回数字信号。AFE直接跟网线打交道。
      - 数字信号处理器（DSP）：处理编码、解码和错误校正，确保信号可靠。
      - 时钟模块：生成或接收时钟信号（比如RMII的50MHz REF_CLK），同步数据传输。
      - 寄存器组：存储PHY的配置（像速度、双工模式）和状态（像链路是否正常）。
      - 接口模块：通过MII/RMII与MAC通信，通过MDC/MDIO接受配置。

   图2：PHY内部结构

4.2 数据发送的过程
   假设我们要用APM32F407发送一个UDP包，PHY是怎么把数据送到网线的？过程如下：
   1. MAC准备数据：
      - 你的程序生成一个UDP包（比如“Hello, World!”）。
      - APM32F407的MAC把数据加上以太网帧头（目标地址、源地址等）和校验码，变成一个完整的数据帧。
      - MAC通过RMII接口（以LAN8720为例）把数据传给PHY。
    2. PHY接收数据：
      - MAC把数据分成2位一组，通过TXD[1:0]发送给LAN8720。
      - MAC同时置TX_EN为高，告诉PHY“有数据要发”。
      - LAN8720在50MHz REF_CLK的上升沿采样TXD[1:0]上的数据。
   3. PHY编码与调制：
      - LAN8720的数字信号处理器把2位数据编码为5位符号（4B/5B编码），增加冗余以提高可靠性。
      - 模拟前端把编码后的数据调制为MLT-3信号（一种三电平电信号），适合网线传输。
    4. 信号发送：
      - 调制后的电信号通过RJ45接口和网线发送到对端设备（比如路由器）。

   图3：PHY发送时序（RMII）

4.3 数据接收的过程
   现在反过来，假设路由器发来一个数据包，PHY是怎么接收的？
    1. PHY接收信号：
      - LAN8720通过RJ45接口从网线接收到电信号（MLT-3格式）。
      - 模拟前端放大信号，去除噪声，解调为数字符号。
   2. PHY解码：
      - 数字信号处理器解码符号（5B/4B解码），还原成2位数据。
      - 如果检测到错误（比如信号失真），PHY会通过RX_ER信号通知MAC。
   3. PHY发送数据：
      - LAN8720把2位数据放到RXD[1:0]上。
      - 置CRS_DV为高，告诉MAC“有数据可收”。
      - MAC在REF_CLK的上升沿采样RXD[1:0]上的数据。
   4. MAC处理：
      - APM32F407的MAC把数据拼凑成完整的数据帧，交给上层程序（比如LwIP协议栈）处理。

   图4：PHY接收时序（RMII）

4.4 链路管理和自动协商
   PHY还会跟对端设备“聊天”，确保通信顺畅。比如：
      - 自动协商：LAN8720发送特殊的脉冲信号（Fast Link Pulse），跟对端商量速度和双工模式。结果存储在PHY的寄存器中，MAC可以通过MDC/MDIO读取。
      - 链路状态：PHY不断检测网线是否连接。如果网线断了，PHY会更新状态寄存器，通知MAC。
   可以这么理解，PHY像个“外交官”，一边运货，一边跟对端谈条件，确保双方用一样的“语言”和“速度”。

5、APM32F407中的PHY应用：怎么用它？
   在APM32F407的以太网开发中，PHY通常是外部芯片（比如LAN8720或DP83825），通过MII或RMII接口与内置的MAC连接。以下是PHY在实际开发中的使用流程。而且Geehy官网的SDK是有ETH例程的，可以参考官方代码。

5.1 硬件连接
   以LAN8720（RMII接口）为例，APM32F407和PHY的连接如下（不同版型可能不一样）：

信号名	APM32F407引脚	LAN8720引脚	功能
TXD0	PB12	TXD0	发送数据位0
TXD1	PB13	TXD1	发送数据位1
TX_EN	PB11	TX_EN	发送使能
RXD0	PC4	RXD0	接收数据位0
RXD1	PC5	RXD1	接收数据位1
CRS_DV	PA7	CRS_DV	载波检测/数据有效
REF_CLK	PA1	REF_CLK	50MHz参考时钟
MDC	PC1	MDC	管理时钟
MDIO	PA2	MDIO	管理数据

   注意：
      - LAN8720需要25MHz晶振提供时钟。
      - RJ45接口需要带变压器，确保信号隔离和匹配。

   图5：APM32F407与LAN8720连接

5.2 初始化PHY
   在使用PHY之前，需要初始化APM32F407的MAC和LAN8720。步骤如下：
   1. 使能时钟：
      - 打开以太网MAC、GPIO和DMA的时钟。
      - 确保LAN8720的电源和晶振正常。
   2. 配置GPIO：
      - 配置TXD[1:0]、TX_EN、MDC、MDIO为复用推挽输出。
      - 配置RXD[1:0]、CRS_DV、REF_CLK为输入（或输出，视REF_CLK来源）。
   3. 配置MAC：
      - 设置RMII模式、速度（100Mbps）和双工模式（全双工）。
   4. 配置PHY：
      - 通过MDC/MDIO写入LAN8720的控制寄存器（比如地址0x00），设置速度和双工模式。
      - 读取状态寄存器（地址0x01），确认链路状态。

   代码示例：PHY初始化

复制

#include "apm32f4xx_eth.h"

#include "apm32f4xx_gpio.h"

#include "apm32f4xx_rcm.h"



void PHY_Init(void)

{

    GPIO_Config_T gpioConfig;

    ETH_Config_T ethConfig;



    // 使能时钟

    RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_ETHMAC | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACTX | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACRX);

    RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOA | RCM_APB2_PERIPH_GPIOB | RCM_APB2_PERIPH_GPIOC);



    // 配置GPIO

    gpioConfig.mode = GPIO_MODE_AF;

    gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;

    gpioConfig.outType = GPIO_OUT_TYPE_PP;

    gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NOPULL;



    gpioConfig.pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_7;

    GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfig);

    gpioConfig.pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13;

    GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfig);

    gpioConfig.pin = GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5;

    GPIO_Config(GPIOC, &gpioConfig);



    GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_1, GPIO_AF_ETH); // REF_CLK

    GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_2, GPIO_AF_ETH); // MDIO

    // ... 其他引脚复用配置



    // 配置MAC

    ethConfig.mode = ETH_MODE_FULLDUPLEX;

    ethConfig.speed = ETH_SPEED_100M;

    ethConfig.interface = ETH_INTERFACE_RMII;

    ETH_Config(ðConfig);



    // 配置LAN8720

    ETH_WritePHYRegister(0x00, 0x00, 0x3100); // 100Mbps，全双工

    ETH_Start();

}

5.3 数据收发
   数据收发的过程在第四节已经详细讲解，这里总结一下：
      - 发送：MAC通过TXD[1:0]和TX_EN发送数据，PHY编码后通过网线发送。
   - 接收：PHY解码网线信号，通过RXD[1:0]和CRS_DV传给MAC。

   代码示例：数据收发

复制

void ETH_SendPacket(uint8_t* data, uint32_t len)

{

    ETH_TxDescriptor_T txDesc;

    txDesc.buffer1Addr = (uint32_t)data;

    txDesc.length = len;

    DAL_ETH_Transmit(&txDesc);

}



void ETH_ReceivePacket(uint8_t* buffer, uint32_t* len)

{

    ETH_RxDescriptor_T rxDesc;

    if (DAL_ETH_Receive(&rxDesc) == DAL_OK)

    {

        *len = rxDesc.length;

        memcpy(buffer, (uint8_t*)rxDesc.buffer1Addr, *len);

    }

}