GMAC網卡相關介紹與分析

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GMAC網卡相關介紹與分析 環境描述 MII 本節信息來源 MII MII共16根線，數據位寬4（tx rx各4根信號線），TX_CLK RX_CLK均是PHY提供的。 TX_ER(Transmit Error)： 發送數據錯誤提示信號，同步於TX_CLK，高電平有效，表示TX_ER有效期內傳輸的數 ...


GMAC網卡相關介紹與分析

目錄

環境描述

環境

MII

本節信息來源

MII

MII

MII共16根線，數據位寬4（tx rx各4根信號線），TX_CLK RX_CLK均是PHY提供的。

TX_ER(Transmit Error)： 發送數據錯誤提示信號，同步於TX_CLK，高電平有效，表示TX_ER有效期內傳輸的數據無效。對於10Mbps速率下，TX_ER不起作用；
    TX_EN(Transmit Enable)： 發送使能信號，只有在TX_EN有效期內傳的數據才有效；
    TX_CLK：發送參考時鐘，100Mbps速率下，時鐘頻率為25MHz，10Mbps速率下，時鐘頻率為2.5MHz。註意，TX_CLK時鐘的方向是從PHY側指向MAC側的，因此此時鐘是由PHY提供的。
    TXD(Transmit Data)[3:0]：數據發送信號，共4根信號線；
    RX_ER(Receive Error)： 接收數據錯誤提示信號，同步於RX_CLK，高電平有效，表示RX_ER有效期內傳輸的數據無效。對於10Mbps速率下，RX_ER不起作用；
    RX_DV(Reveive Data Valid)： 接收數據有效信號，作用類型於發送通道的TX_EN；
    RXD(Receive Data)[3:0]：數據接收信號，共4根信號線；
    RX_CLK：接收數據參考時鐘，100Mbps速率下，時鐘頻率為25MHz，10Mbps速率下，時鐘頻率為2.5MHz。RX_CLK也是由PHY側提供的。
    CRS：Carrier Sense，載波偵測信號，不需要同步於參考時鐘，只要有數據傳輸，CRS就有效，另外，CRS只有PHY在半雙工模式下有效；
    COL：Collision Detectd，衝突檢測信號，不需要同步於參考時鐘，只有PHY在半雙工模式下有效。
    MII介面一共有16根線。

RMII

RMII

RMII即 Reduced MII，是MII的簡化板，共8根線，數據位寬2。

CLK_REF：是由外部時鐘源提供的50MHz參考時鐘，與MII介面不同，MII介面中的接收時鐘和發送時鐘是分開的，而且都是由PHY晶元提供給MAC晶元的。這裡需要註意的是，由於數據接收時鐘是由外部晶振提供而不是由載波信號提取的，所以在PHY層晶元內的數據接收部分需要設計一個FIFO，用來協調兩個不同的時鐘,在發送接收的數據時提供緩衝。PHY層晶元的發送部分則不需要FIFO，它直接將接收到的數據發送到MAC就可以了。

GMII

GMII

同MII,但數據位寬8位，共24根信號線，其中GTX_CLK由MAC側提供，大多數GMII相容MII。

RGMII

phy 如果工作在含有RGMII 介面的模式，按照業內慣例，tx clk delay 由MAC 來完成；rx clk delay 由phy 來完成。所以一般PHY晶元的rx clk delay預設是 2ns， tx clk delay預設是750ps。
來源https://blog.csdn.net/fangye945a/article/details/121109158

RGMII

RGMII即Reduced GMII，是GMII的簡化版本，共14根信號線，位寬為4，該時鐘上升沿下降沿均採集數據。

SGMII

SGMII

SGMII即Serial GMII，串列GMII，收發各一對差分信號線，時鐘頻率625MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿均採樣，參考時鐘RX_CLK由PHY提供，是可選的，主要用於MAC側沒有時鐘的情況，一般情況下，RX_CLK不使用。收發都可以從數據中恢復出時鐘。大多數MAC晶元的SGMII介面都可以配置成SerDes介面(在物理上完全相容，只需配置寄存器即可)，直接外接光模塊，而不需要PHY層晶元，此時時鐘速率仍舊是625MHz。

GMAC網卡信息獲取方法

獲取GMAC網卡信息

 xqzhang@greatwall:~$ sudo find /sys/ -name "*stmmac*"
/sys/bus/platform/drivers/stmmaceth
/sys/bus/mdio_bus/devices/stmmac-0:04
/sys/bus/mdio_bus/drivers/Atheros 8035 ethernet/stmmac-0:04
/sys/devices/platform/FTGM0001:00/mdio_bus/stmmac-0
/sys/devices/platform/FTGM0001:00/mdio_bus/stmmac-0/stmmac-0:04
/sys/class/mdio_bus/stmmac-0
/sys/kernel/debug/stmmaceth
/sys/module/dwmac_generic/drivers/platform:stmmaceth
/sys/module/stmmac
/sys/module/stmmac/holders/stmmac_platform
/sys/module/stmmac_platform

由上述信息可知，phy驅動為Atheros 8035 ethernet，該設備為平臺設備，設備目錄為/sys/devices/platform/FTGM0001:00/

查看PHY工作介面模式

cat /sys/devices/platform/FTGM0001:00/mdio_bus/stmmac-0/stmmac-0:04/phy_interface
rgmii

獲取PHY ID

cat /sys/devices/platform/FTGM0001\:00/mdio_bus/stmmac-0/stmmac-0\:04/phy_id
0x004dd072

MAC晶元

讀寫MAC寄存器的方法

devmem2: https://gitee.com/Lematin_SZ/ARM_Linux_Debug_Tools/blob/master/devmem2/devmem2.c

Usage:  devmem2 { address } [ type [ data ] ]
        address : memory address to act upon
        type    : access operation type : [b]yte, [h]alfword, [w]ord
        data    : data to be written

對於FT2000/4核，MAC晶元是包含在CPU核內的，因此根據FT-2000／4+軟體編程手冊.pdf手冊可以拿到MAC晶元的物理地址，用戶態直接映射該物理地址可直接進行讀寫。
此外該物理地址也可以從設備樹 ACPI固件中讀取。

FT-2000／4+軟體編程手冊.pdf

讀MAC寄存器

MAC0地址寄存器

讀mac地址0寄存器

xqzhang@greatwall:~$ ifconfig enaftgm1i0
enaftgm1i0 Link encap:乙太網  硬體地址 00:07:3e:9a:79:d6  
          inet 地址:172.25.83.26  廣播:172.25.87.255  掩碼:255.255.248.0

xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x40))  h
[sudo] xqzhang 的密碼：
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7fabbb3000.
Value at address 0x2820C040 (0x7fabbb3040): 0xD679
xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x44))  h                                                          
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7f974b8000.
Value at address 0x2820C044 (0x7f974b8044): 0x700
xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x46))  h                                                          
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7fa3e7c000.
Value at address 0x2820C046 (0x7fa3e7c046): 0x9A3E
寫MAC寄存器

寫0x48寄存器

xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x48))  h 0x0001
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7f9e52e000.
Value at address 0x2820C048 (0x7f9e52e048): 0xFFFF
Written 0x1; readback 0x1
xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x48))  h 
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7facc88000.
Value at address 0x2820C048 (0x7facc88048): 0x1

MAC環回配置

環回寄存器在MAC控制寄存器0第12bit.

環回寄存器

讀mac控制寄存器

xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x0))  w
[sudo] xqzhang 的密碼：
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7f855a9000.
Value at address 0x2820C000 (0x7f855a9000): 0x614C8C
xqzhang@greatwall:~$ 0000 0000 1010 0001 0100 1100 1000 1100

配置bit12為1

xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x0))  w 0x615c8c
/dev/mem opened.
Memory mapped at address 0x7f9b982000.
Value at address 0x2820C000 (0x7f9b982000): 0x614C8C
Written 0x615C8C; readback 0x615C8C

arp配置不存在的ip MAC地址為本機MAC，註意該mac地址必須與mac晶元的mac一致

sudo arp -s 172.25.82.241 00:07:3e:9a:79:d6

抓包並用ping驗證

驗證結果

PHY晶元

CPU讀寫phy方法（待更新）

mdio讀寫phy寄存器

phytool: https://github.com/wkz/phytool.git 該方式需要網卡驅動提供支持

phytool read  IFACE/ADDR/REG
phytool write IFACE/ADDR/REG <0-0xffff>
phytool print IFACE/ADDR[/REG]

Clause 22:

ADDR := <0-0x1f>
REG  := <0-0x1f>

Clause 45 (not supported by all MDIO drivers):

ADDR := PORT:DEV
PORT := <0-0x1f>
DEV  := <0-0x1f>
REG  := <0-0xffff>

其中ADDR的獲取方式可參考獲取GMAC網卡信息章節，或者使用如下命令獲取ethtool enaftgm1i0 | grep PHYAD

xqzhang@greatwall:/sys/devices/platform/FTGM0001:00$ ethtool  enaftgm1i0  | grep PHYAD
        PHYAD: 4
讀phy設備基礎信息
xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool enaftgm1i0/00:04/
ieee-phy: id:0x004dd072

   ieee-phy: reg:BMCR(0x00) val:0x1000
      flags:          -reset -loopback +aneg-enable -power-down -isolate -aneg-restart -collision-test
      speed:          10-half

   ieee-phy: reg:BMSR(0x01) val:0x796d
      capabilities:   -100-b4 +100-f +100-h +10-f +10-h -100-t2-f -100-t2-h
      flags:          +ext-status +aneg-complete -remote-fault +aneg-capable +link -jabber +ext-register


xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool enaftgm1i0/0x4/
ieee-phy: id:0x004dd072

   ieee-phy: reg:BMCR(0x00) val:0x1000
      flags:          -reset -loopback +aneg-enable -power-down -isolate -aneg-restart -collision-test
      speed:          10-half

   ieee-phy: reg:BMSR(0x01) val:0x796d
      capabilities:   -100-b4 +100-f +100-h +10-f +10-h -100-t2-f -100-t2-h
      flags:          +ext-status +aneg-complete -remote-fault +aneg-capable +link -jabber +ext-register

ar8035_ds_(atheros)_mar2011.pdf phy id reg

讀PHY設備寄存器
xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool read enaftgm1i0/0x04/0x02
ieee-phy: reg:0x02 val:0x004d
xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool read enaftgm1i0/0x4/0x03
ieee-phy: reg:0x03 val:0xd072
寫PHY設備寄存器
root@greatwall:/home/xqzhang/phytool# sudo ./phytool write  enaftgm1i0/0x04/0x04 0x1de1                                
root@greatwall:/home/xqzhang/phytool# sudo ./phytool read enaftgm1i0/0x04/0x04
ieee-phy: reg:0x04 val:0x1de1

Atheros 8035 強制千兆百兆十兆配置方式

phy控制寄存器1

phy控制寄存器2

首先需要bit12=0關閉自協商，然後根據bit6 bit13強制配置速率。
千兆配置sudo ./phytool write enaftgm1i0/0x4/0x0 0x0140
百兆配置sudo ./phytool write enaftgm1i0/0x4/0x0 0x2100
十兆配置sudo ./phytool write enaftgm1i0/0x4/0x0 0x0100
實際測試 強制千兆無法up，百兆千兆需要等很久才能ping通。

PHY環回配置

環回寄存器在phy控制寄存器0第14bit.

環回寄存器

10M 速率環回

sudo ./phytool write enaftgm1i0/0x4/0x0 0x4100

經測試在本節環境下，只有10M 環回才能正常UP

GMAC網卡驅動分析

查看Kconfig文件，發現該驅動支持Platform和多種SOC以及PCI等方式。

kylin@kylin-GW-001M1A-FTF:~/Workspace/xqzhang/ShangHai-GFSY-klinux/drivers/net/ethernet/stmicro/stmmac$ grep -nr support Kconfig 
21:     tristate "STMMAC Platform bus support"
26:       This selects the platform specific bus support for the stmmac driver.
45:     tristate "QCA IPQ806x DWMAC support"
52:       This selects the IPQ806x SoC glue layer support for the stmmac
58:     tristate "NXP LPC18xx/43xx DWMAC support"
66:     tristate "Amlogic Meson dwmac support"
72:       This selects the Amlogic Meson SoC glue layer support for
77:     tristate "Rockchip dwmac support"
84:       This selects the Rockchip RK3288 SoC glue layer support for
88:     tristate "SOCFPGA dwmac support"
95:       This selects the Altera SOCFPGA SoC glue layer support
100:    tristate "STi GMAC support"
107:      This selects STi SoC glue layer support for the stmmac
112:    tristate "Allwinner GMAC support"
118:      This selects Allwinner SoC glue layer support for the
124:    tristate "STMMAC PCI bus support"
130:      This PCI support is tested on XLINX XC2V3000 FF1152AMT0221

lsmod查看當前設備所載入的驅動模塊

xqzhang@greatwall:~$ lsmod | grep stmmac
stmmac_platform         9705  1 dwmac_generic
stmmac                 72158  3 dwmac_generic,stmmac_platform

其中dwmac_generic屬於驅動匹配入口，支持設備樹、ACPI、Platform等匹配方式。
stmmac_platform則是提供設備樹、ACPI、Platform等資源信息的獲取方式，並提供了PM電源管理的ops。
stmmac為網卡驅動本體，負責probe配置、網卡open等。

stmmac_dvr_probe

在GMAC驅動probe過程中會先讀取0x1058硬體功能寄存器，並將其複製給dma_cap，若mac晶元不支持PCS(TBI / SGMII / RTBI PHY 介面))則會遍歷phy設備找到對應的phy id然後註冊mdio bus.
當CONFIG_DEBUG_FS巨集打開時，可通過cat /sys/kernel/debug/stmmaceth/eth0/dma_cap查看硬體功能寄存器中的內容。

stmmac_open

在GMAC的open函數中，如果不支持PCS(TBI / SGMII / RTBI PHY 介面)則先進行phy晶元的初始化工作，在phy初始化的過程中（stmmac_init_phy）如果設備樹有定義phy_node(phy_node是通過device tree中的phy_handle構造的)則進行of_phy_connect連接，否則進行phy_connect連接。of_phy_connect和phy_connect差異在於前者已經找到的phy_device，後者需要先通過mdio bus找到phy_device。連接phy的實現主要在phy_connect_direct函數中，該函數共做了以下幾步：

  1. phy_attach_direct(attach a network device to a given PHY device pointer)
  2. 賦值adjust_link = stmmac_adjust_link，該函數負責監控phy鏈路狀態
  3. phy_start_machine啟動PHY狀態機跟蹤
  4. 如果是中斷模式，則啟用中斷
    連接過程重點在phy_attach_direct函數中，其會先判斷是否匹配到具體的phy driver，若phy driver不存在則會調用通用genphy_driver進行probe和bind操作。之後會調用phy_init_hw進行phy config配置，配置完成後執行phy_resume啟用phy設備。phy_init_hw函數中將對phy設備做soft_reset、fixup、config_init等操作，這些操作涉及一系列的phy寄存器操作。在stmmac_init_phy函數的最後會根據介面模式MII或RMII(GMII)設置不同的advertising帶寬屬性。

無論是否支持PCS，open函數中都要做的是alloc tx rx desc環形緩衝區、配置MAC晶元寄存器stmmac_hw_setup、創建1個stmmac_tx_timer定時器（用於定時清理環形緩衝區）、phy_start啟動phy設備、request_irq註冊相關中斷。

stmmac_hw_setup函數中stmmac_init_dma_engine初始化dma引擎、set_umac_addr配置MAC addr、bus_setup匯流排配置（可選）、core_init MAC core的初始化、rx_ipc RX IPC Checksum offload啟用、stmmac_set_mac啟用MAC收發隊列、stmmac_dma_operation_mode設置DMA模式、stmmac_mmc_setup設置mac管理計數器、stmmac_init_ptp初始化PTP硬體時鐘驅動、start_tx start_rx 啟用dma收發隊列、rx_watchdog、ctrl_ane。

根據上述分析，在GMAC probe流程中主要對硬體功能寄存器進行讀取，驅動根據具體的功能支持情況進行配置。GMAC open流程中phy_init_hw函數中包含了大量phy寄存器的配置，stmmac_hw_setup函數中包含了大量mac寄存器的配置。

stmmac_hw_setup配置解讀（待補充）

PHY驅動分析（待補充）

phy_init_hw配置解讀（待補充）

PHY標準寄存器解讀

phy標準寄存器解讀

ETHX日誌級別設置

日誌級別信息

 enum {                                                                           
         NETIF_MSG_DRV           = 0x0001,                                        
         NETIF_MSG_PROBE         = 0x0002,                                        
         NETIF_MSG_LINK          = 0x0004,                                        
         NETIF_MSG_TIMER         = 0x0008,                                        
         NETIF_MSG_IFDOWN        = 0x0010,                                        
         NETIF_MSG_IFUP          = 0x0020,                                        
         NETIF_MSG_RX_ERR        = 0x0040,                                        
         NETIF_MSG_TX_ERR        = 0x0080,                                        
         NETIF_MSG_TX_QUEUED     = 0x0100,                                        
         NETIF_MSG_INTR          = 0x0200,                                        
         NETIF_MSG_TX_DONE       = 0x0400,                                        
         NETIF_MSG_RX_STATUS     = 0x0800,                                        
         NETIF_MSG_PKTDATA       = 0x1000,                                        
         NETIF_MSG_HW            = 0x2000,                                        
         NETIF_MSG_WOL           = 0x4000,                                        
 };                                    
 預設的消息級別: 0x0063
 static const u32 default_msg_level = (NETIF_MSG_DRV | NETIF_MSG_PROBE |          
                                       NETIF_MSG_LINK | NETIF_MSG_IFUP |          
                                       NETIF_MSG_IFDOWN | NETIF_MSG_TIMER);       


列印rx ring desc
sudo ethtool -s enaftgm1i0 msglvl   0x0800
關閉日誌列印
sudo ethtool -s enaftgm1i0 msglvl   0x0000
恢復預設的日誌級別
sudo ethtool -s enaftgm1i0 msglvl   0x0063

該日誌信息可通過dmesg -w查看。

收發隊列描述符查看

通過cat /sys/kernel/debug/stmmaceth/eth0/descriptors_status

乙太網層圖例

乙太網圖例

簡單圖解OSI七層網路模型

體繫結構


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