GMAC网卡相关介绍与分析

襟怀五嶽

GMAC网卡相关介绍与分析


目录

• GMAC网卡相关介绍与分析
  
  
  
  • 环境描述
    
  • MII
    
    
    
    • MII
      
    • RMII
      
    • GMII
      
    • RGMII
      
    • SGMII
      
    
    
  • GMAC网卡信息获取方法
    
    
    
    • 获取GMAC网卡信息
      
      
      
      • 查看PHY工作接口模式
        
      
      
    • 获取PHY ID
      
    • MAC芯片
      
      
      
      • 读写MAC寄存器的方法
        
        
        
        • 读MAC寄存器
          
        • 写MAC寄存器
          
        
        
      • MAC环回配置
        
      
      
    • PHY芯片
      
      
      
      • CPU读写phy方法（待更新）
        
      • mdio读写phy寄存器
        
        
        
        • 读phy设备基础信息
          
        • 读PHY设备寄存器
          
        • 写PHY设备寄存器
          
        
        
      • Atheros 8035 强制千兆百兆十兆配置方式
        
      • PHY环回配置
        
      
      
    
    
  • GMAC网卡驱动分析
    
    
    
    • stmmac_dvr_probe
      
    • stmmac_open
      
    • stmmac_hw_setup配置解读（待补充）
      
    
    
  • PHY驱动分析（待补充）
    
    
    
    • phy_init_hw配置解读（待补充）
      
    
    
  • PHY标准寄存器解读
    
  • ETHX日志级别设置
    
    
    
    • 收发队列描述符查看
      
    
    
  • 以太网层图例
    
  
  

环境描述

MII

本节信息来源
MII

MII共16根线，数据位宽4（tx rx各4根信号线），TX_CLK RX_CLK均是PHY提供的。

TX_ER(Transmit Error)： 发送数据错误提示信号，同步于TX_CLK，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，TX_ER不起作用；
    TX_EN(Transmit Enable)： 发送使能信号，只有在TX_EN有效期内传的数据才有效；
    TX_CLK：发送参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。注意，TX_CLK时钟的方向是从PHY侧指向MAC侧的，因此此时钟是由PHY提供的。
    TXD(Transmit Data)[3:0]：数据发送信号，共4根信号线；
    RX_ER(Receive Error)： 接收数据错误提示信号，同步于RX_CLK，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，RX_ER不起作用；
    RX_DV(Reveive Data Valid)： 接收数据有效信号，作用类型于发送通道的TX_EN；
    RXD(Receive Data)[3:0]：数据接收信号，共4根信号线；
    RX_CLK：接收数据参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。RX_CLK也是由PHY侧提供的。
    CRS：Carrier Sense，载波侦测信号，不需要同步于参考时钟，只要有数据传输，CRS就有效，另外，CRS只有PHY在半双工模式下有效；
    COL：Collision Detectd，冲突检测信号，不需要同步于参考时钟，只有PHY在半双工模式下有效。
    MII接口一共有16根线。

RMII

RMII即 Reduced MII，是MII的简化板，共8根线，数据位宽2。

CLK_REF：是由外部时钟源提供的50MHz参考时钟，与MII接口不同，MII接口中的接收时钟和发送时钟是分开的，而且都是由PHY芯片提供给MAC芯片的。这里需要注意的是，由于数据接收时钟是由外部晶振提供而不是由载波信号提取的，所以在PHY层芯片内的数据接收部分需要设计一个FIFO，用来协调两个不同的时钟,在发送接收的数据时提供缓冲。PHY层芯片的发送部分则不需要FIFO，它直接将接收到的数据发送到MAC就可以了。

GMII

同MII,但数据位宽8位，共24根信号线，其中GTX_CLK由MAC侧提供，大多数GMII兼容MII。
RGMII

phy 如果工作在含有RGMII 接口的模式，按照业内惯例，tx clk delay 由MAC 来完成；rx clk delay 由phy 来完成。所以一般PHY芯片的rx clk delay默认是 2ns， tx clk delay默认是750ps。
来源https://blog.csdn.net/fangye945a/article/details/121109158

RGMII即Reduced GMII，是GMII的简化版本，共14根信号线，位宽为4，该时钟上升沿下降沿均采集数据。
SGMII

SGMII即Serial GMII，串行GMII，收发各一对差分信号线，时钟频率625MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿均采样，参考时钟RX_CLK由PHY提供，是可选的，主要用于MAC侧没有时钟的情况，一般情况下，RX_CLK不使用。收发都可以从数据中恢复出时钟。大多数MAC芯片的SGMII接口都可以配置成SerDes接口(在物理上完全兼容，只需配置寄存器即可)，直接外接光模块，而不需要PHY层芯片，此时时钟速率仍旧是625MHz。

GMAC网卡信息获取方法

获取GMAC网卡信息

1.  xqzhang@greatwall:~$ sudo find /sys/ -name "*stmmac*"
2. /sys/bus/platform/drivers/stmmaceth
3. /sys/bus/mdio_bus/devices/stmmac-0:04
4. /sys/bus/mdio_bus/drivers/Atheros 8035 ethernet/stmmac-0:04
5. /sys/devices/platform/FTGM0001:00/mdio_bus/stmmac-0
6. /sys/devices/platform/FTGM0001:00/mdio_bus/stmmac-0/stmmac-0:04
7. /sys/class/mdio_bus/stmmac-0
8. /sys/kernel/debug/stmmaceth
9. /sys/module/dwmac_generic/drivers/platform:stmmaceth
10. /sys/module/stmmac
11. /sys/module/stmmac/holders/stmmac_platform
12. /sys/module/stmmac_platform

复制代码

由上述信息可知，phy驱动为Atheros 8035 ethernet，该设备为平台设备，设备目录为/sys/devices/platform/FTGM0001:00/
查看PHY工作接口模式

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

复制代码

获取PHY ID

1. cat /sys/devices/platform/FTGM0001\:00/mdio_bus/stmmac-0/stmmac-0\:04/phy_id
2. 0x004dd072

复制代码

MAC芯片

读写MAC寄存器的方法

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

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

复制代码

对于FT2000/4核，MAC芯片是包含在CPU核内的，因此根据FT-2000／4+软件编程手册.pdf手册可以拿到MAC芯片的物理地址，用户态直接映射该物理地址可直接进行读写。
此外该物理地址也可以从设备树 ACPI固件中读取。

读MAC寄存器

读mac地址0寄存器

1. xqzhang@greatwall:~$ ifconfig enaftgm1i0
2. enaftgm1i0 Link encap:以太网  硬件地址 00:07:3e:9a:79:d6  
3.           inet 地址:172.25.83.26  广播:172.25.87.255  掩码:255.255.248.0

复制代码

1. xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x40))  h
2. [sudo] xqzhang 的密码：
3. /dev/mem opened.
4. Memory mapped at address 0x7fabbb3000.
5. Value at address 0x2820C040 (0x7fabbb3040): 0xD679
6. xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x44))  h                                                         
7. /dev/mem opened.
8. Memory mapped at address 0x7f974b8000.
9. Value at address 0x2820C044 (0x7f974b8044): 0x700
10. xqzhang@greatwall:~$ sudo devmem2 $((0x0002820C000+0x46))  h                                                         
11. /dev/mem opened.
12. Memory mapped at address 0x7fa3e7c000.
13. Value at address 0x2820C046 (0x7fa3e7c046): 0x9A3E

复制代码

写MAC寄存器

写0x48寄存器

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

复制代码

MAC环回配置

环回寄存器在MAC控制寄存器0第12bit.

读mac控制寄存器

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

复制代码

配置bit12为1

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

复制代码

arp配置不存在的ip MAC地址为本机MAC，注意该mac地址必须与mac芯片的mac一致

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

复制代码

抓包并用ping验证

PHY芯片

CPU读写phy方法（待更新）

mdio读写phy寄存器

phytool: https://github.com/wkz/phytool.git 该方式需要网卡驱动提供支持

1. phytool read  IFACE/ADDR/REG
2. phytool write IFACE/ADDR/REG <0-0xffff>
3. phytool print IFACE/ADDR[/REG]
5. Clause 22:
7. ADDR := <0-0x1f>
8. REG  := <0-0x1f>
10. Clause 45 (not supported by all MDIO drivers):
12. ADDR := PORT:DEV
13. PORT := <0-0x1f>
14. DEV  := <0-0x1f>
15. REG  := <0-0xffff>

复制代码

其中ADDR的获取方式可参考获取GMAC网卡信息章节，或者使用如下命令获取ethtool  enaftgm1i0  | grep PHYAD

1. xqzhang@greatwall:/sys/devices/platform/FTGM0001:00$ ethtool  enaftgm1i0  | grep PHYAD
2.         PHYAD: 4

复制代码

读phy设备基础信息

1. xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool enaftgm1i0/00:04/
2. ieee-phy: id:0x004dd072
4.    ieee-phy: reg:BMCR(0x00) val:0x1000
5.       flags:          -reset -loopback +aneg-enable -power-down -isolate -aneg-restart -collision-test
6.       speed:          10-half
8.    ieee-phy: reg:BMSR(0x01) val:0x796d
9.       capabilities:   -100-b4 +100-f +100-h +10-f +10-h -100-t2-f -100-t2-h
10.       flags:          +ext-status +aneg-complete -remote-fault +aneg-capable +link -jabber +ext-register

复制代码

1. xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool enaftgm1i0/0x4/
2. ieee-phy: id:0x004dd072
4.    ieee-phy: reg:BMCR(0x00) val:0x1000
5.       flags:          -reset -loopback +aneg-enable -power-down -isolate -aneg-restart -collision-test
6.       speed:          10-half
8.    ieee-phy: reg:BMSR(0x01) val:0x796d
9.       capabilities:   -100-b4 +100-f +100-h +10-f +10-h -100-t2-f -100-t2-h
10.       flags:          +ext-status +aneg-complete -remote-fault +aneg-capable +link -jabber +ext-register

复制代码

读PHY设备寄存器

1. xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool read enaftgm1i0/0x04/0x02
2. ieee-phy: reg:0x02 val:0x004d
3. xqzhang@greatwall:~/phytool$ sudo ./phytool read enaftgm1i0/0x4/0x03
4. ieee-phy: reg:0x03 val:0xd072

复制代码

写PHY设备寄存器

1. root@greatwall:/home/xqzhang/phytool# sudo ./phytool write  enaftgm1i0/0x04/0x04 0x1de1                                
2. root@greatwall:/home/xqzhang/phytool# sudo ./phytool read enaftgm1i0/0x04/0x04
3. ieee-phy: reg:0x04 val:0x1de1

复制代码

Atheros 8035 强制千兆百兆十兆配置方式

首先需要bit12=0关闭自协商，然后根据bit6 bit13强制配置速率。
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
实际测试 强制千兆无法up，百兆千兆需要等很久才能ping通。
PHY环回配置

环回寄存器在phy控制寄存器0第14bit.

10M 速率环回

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

复制代码

经测试在本节环境下，只有10M 环回才能正常UP
GMAC网卡驱动分析

查看Kconfig文件，发现该驱动支持Platform和多种SOC以及PCI等方式。

1. kylin@kylin-GW-001M1A-FTF:~/Workspace/xqzhang/ShangHai-GFSY-klinux/drivers/net/ethernet/stmicro/stmmac$ grep -nr support Kconfig
2. 21:     tristate "STMMAC Platform bus support"
3. 26:       This selects the platform specific bus support for the stmmac driver.
4. 45:     tristate "QCA IPQ806x DWMAC support"
5. 52:       This selects the IPQ806x SoC glue layer support for the stmmac
6. 58:     tristate "NXP LPC18xx/43xx DWMAC support"
7. 66:     tristate "Amlogic Meson dwmac support"
8. 72:       This selects the Amlogic Meson SoC glue layer support for
9. 77:     tristate "Rockchip dwmac support"
10. 84:       This selects the Rockchip RK3288 SoC glue layer support for
11. 88:     tristate "SOCFPGA dwmac support"
12. 95:       This selects the Altera SOCFPGA SoC glue layer support
13. 100:    tristate "STi GMAC support"
14. 107:      This selects STi SoC glue layer support for the stmmac
15. 112:    tristate "Allwinner GMAC support"
16. 118:      This selects Allwinner SoC glue layer support for the
17. 124:    tristate "STMMAC PCI bus support"
18. 130:      This PCI support is tested on XLINX XC2V3000 FF1152AMT0221

复制代码

lsmod查看当前设备所加载的驱动模块

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

复制代码

其中dwmac_generic属于驱动匹配入口，支持设备树、ACPI、Platform等匹配方式。
stmmac_platform则是提供设备树、ACPI、Platform等资源信息的获取方式，并提供了PM电源管理的ops。
stmmac为网卡驱动本体，负责probe配置、网卡open等。
stmmac_dvr_probe

在GMAC驱动probe过程中会先读取0x1058硬件功能寄存器，并将其复制给dma_cap，若mac芯片不支持PCS(TBI / SGMII / RTBI PHY 接口))则会遍历phy设备找到对应的phy id然后注册mdio bus.
当CONFIG_DEBUG_FS宏打开时，可通过cat /sys/kernel/debug/stmmaceth/eth0/dma_cap查看硬件功能寄存器中的内容。
stmmac_open

在GMAC的open函数中，如果不支持PCS(TBI / SGMII / RTBI PHY 接口)则先进行phy芯片的初始化工作，在phy初始化的过程中（stmmac_init_phy）如果设备树有定义phy_node(phy_node是通过device tree中的phy_handle构造的)则进行of_phy_connect连接，否则进行phy_connect连接。of_phy_connect和phy_connect差异在于前者已经找到的phy_device，后者需要先通过mdio bus找到phy_device。连接phy的实现主要在phy_connect_direct函数中，该函数共做了以下几步：

• phy_attach_direct(attach a network device to a given PHY device pointer)
  
• 赋值adjust_link = stmmac_adjust_link，该函数负责监控phy链路状态
  
• phy_start_machine启动PHY状态机跟踪
  
• 如果是中断模式，则启用中断
  连接过程重点在phy_attach_direct函数中，其会先判断是否匹配到具体的phy driver，若phy driver不存在则会调用通用genphy_driver进行probe和bind操作。之后会调用phy_init_hw进行phy config配置，配置完成后执行phy_resume启用phy设备。phy_init_hw函数中将对phy设备做soft_reset、fixup、config_init等操作，这些操作涉及一系列的phy寄存器操作。在stmmac_init_phy函数的最后会根据接口模式MII或RMII(GMII)设置不同的advertising带宽属性。
  

无论是否支持PCS，open函数中都要做的是alloc tx rx desc环形缓冲区、配置MAC芯片寄存器stmmac_hw_setup、创建1个stmmac_tx_timer定时器（用于定时清理环形缓冲区）、phy_start启动phy设备、request_irq注册相关中断。
stmmac_hw_setup函数中stmmac_init_dma_engine初始化dma引擎、set_umac_addr配置MAC addr、bus_setup总线配置（可选）、core_init MAC core的初始化、rx_ipc RX IPC Checksum offload启用、stmmac_set_mac启用MAC收发队列、stmmac_dma_operation_mode设置DMA模式、stmmac_mmc_setup设置mac管理计数器、stmmac_init_ptp初始化PTP硬件时钟驱动、start_tx start_rx 启用dma收发队列、rx_watchdog、ctrl_ane。
根据上述分析，在GMAC probe流程中主要对硬件功能寄存器进行读取，驱动根据具体的功能支持情况进行配置。GMAC open流程中phy_init_hw函数中包含了大量phy寄存器的配置，stmmac_hw_setup函数中包含了大量mac寄存器的配置。
stmmac_hw_setup配置解读（待补充）

PHY驱动分析（待补充）

phy_init_hw配置解读（待补充）

PHY标准寄存器解读

phy标准寄存器解读
ETHX日志级别设置

日志级别信息

1. enum {                                                                           
2.          NETIF_MSG_DRV           = 0x0001,                                       
3.          NETIF_MSG_PROBE         = 0x0002,                                       
4.          NETIF_MSG_LINK          = 0x0004,                                       
5.          NETIF_MSG_TIMER         = 0x0008,                                       
6.          NETIF_MSG_IFDOWN        = 0x0010,                                       
7.          NETIF_MSG_IFUP          = 0x0020,                                       
8.          NETIF_MSG_RX_ERR        = 0x0040,                                       
9.          NETIF_MSG_TX_ERR        = 0x0080,                                       
10.          NETIF_MSG_TX_QUEUED     = 0x0100,                                       
11.          NETIF_MSG_INTR          = 0x0200,                                       
12.          NETIF_MSG_TX_DONE       = 0x0400,                                       
13.          NETIF_MSG_RX_STATUS     = 0x0800,                                       
14.          NETIF_MSG_PKTDATA       = 0x1000,                                       
15.          NETIF_MSG_HW            = 0x2000,                                       
16.          NETIF_MSG_WOL           = 0x4000,                                       
17. };                                    
18. 默认的消息级别: 0x0063
19. static const u32 default_msg_level = (NETIF_MSG_DRV | NETIF_MSG_PROBE |         
20.                                        NETIF_MSG_LINK | NETIF_MSG_IFUP |         
21.                                        NETIF_MSG_IFDOWN | NETIF_MSG_TIMER);      

复制代码

1. 打印rx ring desc
2. sudo ethtool -s enaftgm1i0 msglvl   0x0800
3. 关闭日志打印
4. sudo ethtool -s enaftgm1i0 msglvl   0x0000
5. 恢复默认的日志级别
6. sudo ethtool -s enaftgm1i0 msglvl   0x0063

复制代码

该日志信息可通过dmesg -w查看。
收发队列描述符查看

通过cat /sys/kernel/debug/stmmaceth/eth0/descriptors_status
以太网层图例

简单图解OSI七层网络模型

来源:https://www.cnblogs.com/forwards/p/17101438.html
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