网卡驱动中的硬件基础与关键知识讲解

一、引言：驱动开发绕不开的硬件基础

网络接口卡（NIC, Network Interface Card）是现代嵌入式设备与计算平台不可或缺的通信媒介。在 Linux 内核中，网卡驱动属于最活跃的子系统之一，其涉及内容既包括内核的 Netdevice 框架、DMA 缓存管理、软中断等，也深度依赖对底层硬件结构的理解。

本文聚焦于网卡驱动相关的硬件知识点，从 PHY、MAC、接口协议、常用芯片、硬件初始化、地址配置、电路设计，到与驱动代码的衔接，力求讲清原理、用词准确，并辅以清晰的示意和示例，为后续软件驱动的理解打下扎实基础。

二、网络硬件基本结构

2.1 MAC 与 PHY 分层架构

现代以太网接口一般分为：

• MAC（Media Access Control）：媒体访问控制层，通常集成在 SoC/主芯片内，负责帧的组织、CRC校验、DMA传输等。
• PHY（Physical Layer Transceiver）：物理层收发器，负责信号编码、解码、电平转换，与 RJ45 接口连接。

这两者之间通过标准的硬件接口进行通信，常见的包括：

2.2 PHY芯片功能与种类

常见的 Ethernet PHY 芯片有：

PHY 芯片除数据收发外，还支持：

• 自动协商（Auto-Negotiation）：协商速率和双工模式；
• 链路检测（Link Detection）：通过 Link LED 显示；
• 寄存器控制：可通过 MDIO 接口配置和读取。

三、常见网卡硬件电路结构

以 LAN8720A 为例，其典型原理图包含如下关键部分：

3.1 电源供电与LDO去耦

• VDDIO、VDDA：分别供给 IO 和模拟电路；
• LDO_CAP：内部1.2V稳压输出，用于模拟核心；
• 推荐使用 0.1μF 与 4.7μF 并联电容去耦；
• 多数 PHY 要求上电顺序满足 0~50ms 范围内一致上电。

3.2 MAC-PHY 接口（RMII）

MCU/SoC                  PHY芯片（LAN8720A）
---------                -------------------
ENET_TXD0   -----------  TXD0
ENET_TXD1   -----------  TXD1
ENET_TX_EN  -----------  TXEN
ENET_RXD0   -----------  RXD0
ENET_RXD1   -----------  RXD1
ENET_CRS_DV -----------  CRS_DV
ENET_REF_CLK ----------- REF_CLK

REF_CLK 是 50MHz 时钟源，必须稳定。

3.3 MDIO/MDC 管理接口

用于配置 PHY 寄存器，如读取 PHY 状态、控制速度/双工、查看链路状态等。

MCU/SoC                  PHY芯片
---------                --------
ENET_MDIO   -----------> MDIO
ENET_MDC    -----------> MDC

这些线连接到驱动的 phy_device 模块，通过 phy_read()、phy_write() 进行访问。

3.4 RESET 引脚与地址配置

• RESETn 需延时释放；
• PHYAD0 ~ PHYAD4 决定该 PHY 的地址；
• 默认地址一般为 0x0，也可通过上拉/下拉电阻设置；
• 多 PHY 系统中，地址不可重复。

四、MAC 地址的来源与配置机制

4.1 MAC 地址是什么？

MAC（Media Access Control）地址是 48 位的唯一硬件地址，用于二层通信，格式如：

00:1A:2B:3C:4D:5E

前 3 字节代表厂商 OUI，后 3 字节是设备序列号。

4.2 MAC 地址的存储位置

在设备树中设置示例（适用于 i.MX 系列）：

&fec1 {
  phy-handle = <&ethphy0>;
  local-mac-address = [00 11 22 33 44 55];
};

五、硬件设计注意事项

5.1 差分线布局规则（RGMII/RMII）

• 差分对阻抗：100Ω；
• 单端线阻抗：50Ω；
• 差分对内匹配：线长误差不超过 5mil；
• 与其他差分对间隔大于 50mil；
• 变压器（magnetics）距 PHY 芯片距离尽量小于 25mm；

5.2 上拉/下拉配置引脚

部分 PHY 芯片如 LAN8720A 启动时通过上拉/下拉电阻配置：

• 自动协商（Auto-Negotiation）
• 速度（10/100Mbps）
• 地址（PHYAD0~4）

需要在 RESETn 拉高前配置完成。

六、从硬件到驱动的衔接：Linux 中的 PHY 识别流程

在 Linux 网卡驱动中，通常使用 phylib 框架管理 PHY 芯片，流程如下：

1. 网卡驱动注册 net_device；
2. 绑定 MAC 控制器与 PHY（通过 device tree 或 platform data）；
3. 使用 of_phy_connect() 找到设备树中的 PHY 节点；
4. 内核通过 MDC/MDIO 读写寄存器确认 PHY；
5. 初始化 PHY：协商速率、双工、启动链接；
6. 注册中断或轮询链路状态。

七、实际案例分析：i.MX6 + KSZ8081 + RJ45 接口

原理图片段（简化）

• PHY：KSZ8081
• 接口：RMII
• MAC：i.MX6 内部的 FEC（Fast Ethernet Controller）

驱动流程简要

1. 设备树绑定 MAC 与 PHY：

   &fec1 {
     phy-handle = <&phy0>;
   };
   
   &mdio {
     phy0: ethernet-phy@0 {
       reg = <0>;
     };
   };
   

2. 内核驱动调用 fec_probe()；

3. 调用 of_phy_connect() → phy_attach()；

4. MDC/MDIO 通信确认 PHY 存在；

5. 完成 MAC 与 PHY 的连接和初始化。

八、调试建议与常见问题

九、结语

要写好网卡驱动，光掌握软件 API 是远远不够的。理解网络硬件的基本结构，掌握 PHY 的初始化流程、电气连接方式、MAC 地址配置机制，能大幅提升定位问题的能力，并写出可靠、稳定的驱动程序。

未来的系列文章将进一步介绍：

• Linux 中 Netdevice 架构；
• PHY 驱动框架详解；
• 网卡中断处理机制；
• DMA 与网络缓冲区管理。

如果你正在做实际项目，欢迎在评论区交流你的硬件结构和遇到的问题，我会结合你的平台提供进一步建议。

如需配图版本（PDF/Markdown）、实际设备树示例或 RTL8211F/RGMII 相关内容，也可以告诉我，我可以后续帮你整理完善。是否需要我帮你生成 PDF 或 Markdown 格式版本？