揭秘以太网通信的幕后故事：RMII(以LAN8720为例)与MII(以DP83825为例)通信全解析

只看该作者 · 2025-5-22 15:24

本帖最后由 DKENNY 于 2025-5-22 15:22 编辑

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前言
   接上文讲了PHY的原理，也以LAN8720（RMII）为例，实现了一些伪代码，我们知道以太网通信是嵌入式系统中连接世界的“高速公路”，而APM32F407单片机就像一个高效的“交通指挥中心”，通过其内置的以太网MAC模块，与外部PHY芯片（如LAN8720和DP83825）协作，完成数据的收发任务。
   在这篇文章中，我们将以LAN8720（RMII协议）和DP83825（MII协议）为例，深入讲解这两种接口的通信过程，涵盖原理、时序、代码实现。

1、背景：为什么要用LAN8720和DP83825？
   - LAN8720：一款常用的RMII接口PHY芯片，支持10Mbps和100Mbps速率，引脚少、设计简单，适合资源受限的嵌入式系统。
   - DP83825：一款支持MII接口的PHY芯片，同样支持10Mbps和100Mbps，信号线多但功能全面，适合需要高可靠性的场景。
   MII和RMII作为MAC与PHY之间的“桥梁”，决定了数据如何在这两者间高效传递。LAN8720用RMII协议，引脚少、设计紧凑；DP83825用MII协议，信号丰富、可靠性高。接下来，我们将详细剖析这两种模式的通信过程，带你看清数据在“高速公路”上是如何跑起来的！

2、MII与RMII通信原理：从“大路”到“窄路”的区别
   在深入通信过程之前，我们先搞清楚MII和RMII的原理和区别。

2.1 MII：宽敞的“四车道高速公路”
   MII（Media Independent Interface，介质无关接口）就像一条宽敞的四车道高速公路，专门为MAC和PHY之间传递数据设计。它的特点是：
      - 数据宽度：每次传输4位数据（用TXD[3:0]发送，RXD[3:0]接收）。
      - 时钟信号：用两个独立的时钟——TX_CLK（发送时钟）和RX_CLK（接收时钟）。10Mbps时钟频率是2.5MHz，100Mbps是25MHz。
      - 信号线多：总共需要18根信号线，包括数据线、控制线（像TX_EN、RX_DV）和管理线（MDC、MDIO）。
   MII的优点是传输稳定，适合需要高可靠性的场景，比如工业控制。但缺点也很明显：信号线多，占用了很多引脚，PCB布线也更复杂。
   MII就像一条宽路，每次能跑四辆车（4位数据），但需要很多车道（18根线），修路成本高。

2.2 RMII：高效的“双车道快车道”
   RMII（Reduced Media Independent Interface，精简介质无关接口）是MII的“瘦身版”，像一条双车道快车道，通过优化设计减少了引脚需求。它的特点是：
      - 数据宽度：每次只传输2位数据（TXD[1:0]发送，RXD[1:0]接收）。
      - 时钟信号：用一个统一的50MHz参考时钟（REF_CLK），取代MII的两个时钟，发送和接收都靠这个时钟同步。
      - 信号线少：总共只需要9根信号线，合并了部分控制信号（如CRS和RX_DV合并为CRS_DV）。
   RMII通过提高时钟频率（50MHz）和减少数据位宽，实现了与MII相同的传输效率，同时大大降低了引脚数，适合引脚资源紧张的嵌入式系统。
   相比MII来说，RMII像一条窄路，每次只能跑两辆车（2位数据），但车速快（50MHz），车道少（9根线），修路成本低。

3、LAN8720（RMII）通信过程：数据在“双车道”上如何跑？
LAN8720是一款典型的RMII接口PHY芯片，广泛用于嵌入式以太网设计。我们以APM32F407和LAN8720的组合为例，详细讲解RMII通信的整个过程，从初始化到数据收发，再到时序分析。

3.1 RMII通信的硬件连接
在RMII模式下，APM32F407的MAC通过9根信号线与LAN8720连接。以下是典型的引脚分配：

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，告诉PHY有数据要发
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，告诉MAC有数据可收
REF_CLK	PA1	REF_CLK	50MHz参考时钟，同步发送和接收
MDC	PC1	MDC	管理时钟，用于配置PHY
MDIO	PA2	MDIO	管理数据，读写PHY寄存器

   注意：
      - REF_CLK可以由LAN8720提供（通过其内部晶振），也可以由外部50MHz晶振或APM32F407的时钟输出提供。
      - LAN8720还需要连接RJ45接口（带变压器）和25MHz晶振（用于其内部时钟）。

3.2 RMII通信的初始化流程
   在数据传输之前，APM32F407需要初始化以太网MAC和LAN8720。初始化就像“修好高速公路并设置交通规则”，主要步骤如下：
   1. 使能时钟：
      - 打开APM32F407的以太网MAC、GPIO和DMA的时钟。
      - 确保LAN8720的电源和25MHz晶振正常工作。
   2. 配置GPIO引脚：
      - 将TXD0、TXD1、TX_EN、MDC、MDIO配置为复用推挽输出。
      - 将RXD0、RXD1、CRS_DV配置为输入。
      - REF_CLK根据时钟源配置为输入或输出。
   3. 配置MAC：
      - 设置RMII模式（通过ETH_MACCR寄存器）。
      - 配置速度（100Mbps或10Mbps）和双工模式（全双工或半双工）。
      - 使能DMA传输。
   4. 配置LAN8720：
      - 通过MDC和MDIO接口，写入LAN8720的寄存器，设置速度、双工模式和自动协商。
      - 读取LAN8720的状态寄存器，确认链路已建立。
   5. 启动通信：
      - 使能MAC的发送和接收功能，准备好数据缓冲区。

   代码示例：RMII初始化

复制

#include "apm32f4xx_eth.h"

#include "apm32f4xx_gpio.h"

#include "apm32f4xx_rcm.h"



void RMII_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引脚

    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); // 设置100Mbps，全双工

    ETH_Start();

}

3.3 RMII发送数据的通信过程
   假设APM32F407要发送一个数据包（比如一个UDP包），RMII的发送过程就像“把货物装上卡车，通过双车道送到目的地”。具体步骤如下：
   1. 准备数据：
      - 应用程序（比如LwIP协议栈）生成一个数据包，存储在内存中。
      - MAC的DMA控制器将数据从内存搬到TX缓冲区。
   2. 通知发送：
      - MAC把数据分成2位一组，依次放到TXD[1:0]上。
      - 同时置TX_EN为高，告诉LAN8720“有数据要发”。
   3. 数据传输：
      - LAN8720在REF_CLK的上升沿采样TXD[1:0]上的2位数据。
      - 因为RMII每次只传2位，而MII一次传4位，所以RMII用50MHz的REF_CLK，速度快一倍，保证传输效率。
      - 数据传输完成后，MAC置TX_EN为低，表示发送结束。
   4. PHY处理：
      - LAN8720将收到的数字数据编码为物理信号（比如曼彻斯特编码），通过RJ45接口发送到网线。

3.4 RMII接收数据的通信过程
   接收过程就像“从网线收到货物，通过双车道运回仓库”。具体步骤如下：
   1. PHY接收信号：
      - LAN8720从网线接收物理信号，解码为数字数据。
      - 数据被分成2位一组，准备通过RXD[1:0]发送给MAC。
   2. 通知接收：
      - LAN8720置CRS_DV为高，表示“有数据可收”或“链路有信号”。
      - 数据被放到RXD[1:0]上。
   3. 数据传输：
      - MAC在REF_CLK的上升沿采样RXD[1:0]上的2位数据。
      - 每2位数据需要一个50MHz时钟周期，MAC将数据拼凑成完整的数据包。
   4. 存储数据：
      - MAC的DMA控制器将接收到的数据搬到RX缓冲区。
      - 应用程序读取缓冲区数据，完成接收。

3.5 RMII的管理接口（MDC/MDIO）
   除了数据传输，MAC还需要通过MDC和MDIO配置LAN8720或读取其状态。比如：
      - 设置LAN8720为100Mbps全双工模式。
      - 检查链路是否连接（通过读取状态寄存器）。

   过程：
      - MDC提供1-2.5MHz的时钟信号。
      - MDIO传输数据帧，包含操作码（读/写）、PHY地址、寄存器地址和数据。
      - 比如，写入LAN8720的控制寄存器（地址0x00）值为0x3100，设置100Mbps全双工。

   代码示例：MDIO配置

复制

void ConfigureLAN8720(void)

{

    // 设置100Mbps，全双工

    ETH_WritePHYRegister(0x00, 0x00, 0x3100);



    // 读取状态寄存器

    uint16_t status;

    ETH_ReadPHYRegister(0x00, 0x01, &status);

    if (status & 0x0004) {

        printf("Link is up!\n");

    }

}

4、DP83825（MII）通信过程：数据在“四车道”上如何跑？
DP83825是一款MII接口PHY芯片，信号线多但功能全面。同样的，我们以APM32F407和DP83825为例，讲解MII通信的完整过程。

4.1 MII通信的硬件连接
MII模式需要18根信号线，APM32F407与DP83825的引脚分配如下：

信号名	APM32F407引脚	LAN8720引脚	功能
TXD0	PG13	TXD0	发送数据位0
TXD1	PG14	TXD1	发送数据位1
TXD2	PC2	TXD2	发送数据位2
TXD3	PB8	TXD3	发送数据位3
TX_EN	PG11	TX_EN	发送使能，告诉PHY有数据要发
TXCLK	PC3	TXCLK	发送时钟（2.5/25MHz）
RXD0	PC4	RXD0	接收数据位0
RXD1	PC5	RXD1	接收数据位1
RXD2	PH6	RXD2	接收数据位2
RXD3	PH7	RXD3	接收数据位3
RX_DV	PA7	RX_DV	接收数据有效
RX_CLK	PA1	RX_CLK	接收时钟（2.5/25MHz）
RX_ER	PI10	RX_ER	接收错误
CRS	PH2	CRS	载波检测/数据有效，告诉MAC有数据可收
COL	PH3	COL	冲突检测
MDC	PC1	MDC	管理时钟，用于配置PHY
MDIO	PA2	MDIO	管理数据，读写PHY寄存器

   注意：
      - TX_CLK和RX_CLK由DP83825提供，频率根据速率（10Mbps为2.5MHz，100Mbps为25MHz）。
      - DP83825还需要25MHz晶振和RJ45接口。

4.2 MII通信的初始化流程
   MII的初始化与RMII类似，但需要配置更多引脚和设置MII模式。步骤如下：
   1. 使能时钟：
      - 打开以太网MAC、GPIO和DMA时钟。
      - 确保DP83825的电源和晶振正常。
   2. 配置GPIO引脚：
      - 配置TXD[3:0]、TX_EN、MDC、MDIO为复用推挽输出。
      - 配置RXD[3:0]、RX_DV、RX_CLK、CRS、COL为输入。
   3. 配置MAC：
      - 设置MII模式（ETH_MACCR寄存器）。
      - 配置速度和双工模式。
    4. 配置DP83825：
      - 通过MDC/MDIO设置速度、双工模式和自动协商。
    5. 启动通信：
      - 使能MAC的发送和接收。

    代码示例：MII初始化

复制

#include "apm32f4xx_eth.h"

#include "apm32f4xx_gpio.h"

#include "apm32f4xx_rcm.h"



void MII_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引脚

    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_8;

    GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfig);



    // ... 其他引脚初始化配置



    GPIO_ConfigPinAF(GPIOA, GPIO_PIN_SOURCE_1, GPIO_AF_ETH); // RX_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_MII;

    ETH_Config(ðConfig);



    // 配置DP83825

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

    ETH_Start();

}

4.3 MII发送数据的通信过程
   MII的发送过程就像“用四车道大卡车运送货物”。步骤如下：
   1. 准备数据：
      - 应用程序生成数据包，DMA将数据搬到TX缓冲区。
    2. 通知发送：
      - MAC将数据分成4位一组，放到TXD[3:0]上。
      - 置TX_EN为高，通知DP83825开始发送。
   3. 数据传输：
      - DP83825在TX_CLK的上升沿采样TXD[3:0]上的4位数据。
      - TX_CLK由DP83825提供，100Mbps时为25MHz。
      - 发送完成后，MAC置TX_EN为低。
    4. PHY处理：
      - DP83825将数据编码为物理信号，发送到网线。

4.4 MII接收数据的通信过程
   MII的接收过程就像“从网线收到货物，用四车道运回”。步骤如下：
    1. PHY接收信号：
      - DP83825从网线接收信号，解码为4位数据。
    2. 通知接收：
      - DP83825置RX_DV为高，表示数据有效。
      - 将4位数据放到RXD[3:0]上。
   3. 数据传输：
      - MAC在RX_CLK的上升沿采样RXD[3:0]上的4位数据。
      - RX_CLK由DP83825提供，100Mbps时为25MHz。
    4. 存储数据：
      - DMA将数据搬到RX缓冲区，应用程序读取。

4.5 MII的管理接口（MDC/MDIO）
与RMII类似，MII也通过MDC和MDIO配置DP83825，过程相同，不再赘述。

5、MII与RMII的对比：LAN8720 vs DP83825
通过LAN8720和DP83825的通信过程，我们可以总结两者的差异：

特性	LAN8720(RMII)	DP83825(MII)
数据宽度	2位（TXD[1:0], RXD[1:0]）	4位（TXD[3:0], RXD[3:0]）
时钟	单一50MHz REF_CLK	两个时钟（TX_CLK, RX_CLK，25MHz）
信号线数量	9根	18根
引脚需求	少，适合小型封装	多，适合引脚充足的芯片
PCB布线	简单，但REF_CLK需严格阻抗匹配	复杂，信号线多需避免干扰
适用场景	成本敏感、引脚受限的系统	高可靠性、支持半双工的系统

   总结上文，
      - LAN8720（RMII）就像一辆轻便的快递车，跑得快（50MHz），占道少（9根线），适合短途快速送货。
      - DP83825（MII）就像一辆重型卡车，载货多（4位/周期），占道多（18根线），适合长途稳定运输。

6、调试与常见问题
   在实际开发中，RMII和MII通信可能会遇到问题。以下是常见问题和解决办法：
    1. 问题：无法ping通：
      - RMII：检查REF_CLK是否为50MHz，LAN8720的晶振是否正常。
      - MII：检查TX_CLK和RX_CLK是否正确输出（用示波器测量）。
      - 确认PHY地址和寄存器配置是否正确。
   2. 问题：数据包丢失：
      - RMII：检查REF_CLK布线是否过长，添加33Ω串联电阻。
      - MII：确保TXD/RXD信号线等长，减少信号偏差。
    3. 问题：链路未建立：
      - 检查MDC/MDIO时序，确认PHY寄存器是否正确配置。
      - 检查RJ45接口和网线连接。

7、总结
   通过对LAN8720（RMII）和DP83825（MII）的通信过程的详细剖析，我们从硬件连接、初始化、数据收发到时序分析，全面揭开了以太网通信的“神秘面纱”。RMII以其高效和低引脚数的优势，适合成本敏感的嵌入式系统；MII则以高可靠性和全面的功能，适合复杂场景。

只看该作者 · 2025-5-30 18:35

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