SAM4E单片机之旅——22、GMAC和PHY的介绍与初始化

网络通信的作用不用多说，而这次进行的工作即是对以太网通信过程中，需要用到的硬件部分进行初始化，也介绍了发送和接收数据的方法。

由于较为复杂，所以使用了ASF框架。但是也会对用到的库函数的实现做一个介绍。

一、 MAC、PHY和MII

IEEE 802.3是现在常用的以太网标准，它定义了物理层（Physical Layer， PHY）和介质访问控制层（Media Access Control， MAC）的标准。另外，在OSI模型中，MAC则处于数据链路层的底层。

而在硬件实现上，M4使用的GMAC外设实现了802.3中MAC的功能。开发板携带型号为KSZ8051MNL的PHY芯片以及RJ45接口则实现了物理层的功能：

MAC和PHY之间交互的接口则是介质独立接口（Media Independent Interface，MII）。MII包含一个数据通信接口，以及一个管理接口（Management Data Input/Output ，MDIO）。由于PHY的接口是面向MAC的，所以我们需要通过MAC来对PHY进行管理及数据交互。

另外，更早制定的Ethernet II帧则是现在以太网传输中常使用的帧格式。

二、 GMAC的DMA缓冲区

GMAC使用了一个DMA接口。和M4的通用DMAC一样，它也可以自动进行多次传输，但是方式稍微有点区别。GMAC的DMA 对发送和接收使用不同的缓冲区列表，而缓冲区描述符列表是一个数组，而不是DMAC所使用的链表。数组的起始位置保存在寄存器（GMAC_RBQB、GMAC_TBQB）中，且缓冲区描述符中有一个字段（Wrap）指示其是否为数组中的最后一个描述符。如接收缓冲区：

在工作过程中，DMA会顺序访问每个缓冲区描述符，而在访问最后一个描述符时，就会重新开始遍历。

对于接收缓冲，列表中每一个缓冲区的长度是一样的，这个长度由DMA配置寄存器（GMAC_DCFGR）中的DRBS字段指定。在DMA将数据写入接收缓冲时，也会设置描述符相应的字段，以表明每帧的起始与结束；同时，也会标注相关的信息，如是否为广播帧等。

对于发送缓冲，其帧长度、是否需要添加CRC等控制信息也均在描述符中表示。在准备好数据后，向GMAC_NCR寄存器写入TSTART字段即可触发发送操作。

三、 使用ASF初始化GMAC

由于PHY是通过MAC访问的，所有在设置PHY前要完成GMAC的设置。

GMAC约有94个寄存器，其中约有40个为统计寄存器，约15个寄存器与1588和PTP相关，约15个寄存器与特殊地址和ID有关。另外，在有些状态寄存器中，需要向特定位写入1才会清除该位的状态。

使用的ASF模块为Ethernet GMAC，然后conf_eth.h中可以设置MAC地址，IP地址，子网掩码，网关以及缓冲区大小等参数。

然后调用gmac_dev_init( ) 函数即可对GMAC进行初始化：

pmc_enable_periph_clk(ID_GMAC);
// MAC地址
uint8_t mac_address[] =
		{ ETHERNET_CONF_ETHADDR0, ETHERNET_CONF_ETHADDR1, 
			ETHERNET_CONF_ETHADDR2,ETHERNET_CONF_ETHADDR3, 
ETHERNET_CONF_ETHADDR4, ETHERNET_CONF_ETHADDR5
};
// GMAC选项
gmac_options_t gmac_option;
gmac_option.uc_copy_all_frame = 0;	//　不拷贝所有帧
gmac_option.uc_no_boardcast = 0;		//　不忽略广播
memcpy(gmac_option.uc_mac_addr, 
mac_address, sizeof(mac_address));	//拷贝MAC地址
// GMAC驱动设置
gmac_device_t gmac_dev;
gs_gmac_dev.p_hw = GMAC;		// 指定GMAC寄存器基址
// 初始化GMAC
gmac_dev_init(GMAC, &gmac_dev, &gmac_option);

gmac_dev_init(Gmac* p_gmac, gmac_device_t* p_gmac_dev, gmac_options_t* p_opt) 函数完成了以下的工作：

1. 禁用发送接收，禁用GMAC所有中断；清除统计寄存器，以及发送接受状态寄存器。
2. 设置GMAC_NCFGR寄存器。根据p_opt，判断是否拷贝所有帧，以及是否忽略广播。同时，追加GMAC_NCFGR_PEN 和 GMAC_NCFGR_IRXFCS位。（我觉得这里应该是个BUG，从其注释判断需要追加的应该是GMAC_NCFGR_RFCS位）
3. 设置好DMA缓冲，然后调用gmac_init_mem( ) 对缓冲区描述符等进行初始化。这个函数里也会使能发送和接收，同时也会启用一系列的中断。设置完成后，DMA缓冲的信息将储存在p_gmac_dev中。
4. 将MAC地址写入特别地址寄存器1。

四、 PHY的地址

在MDIO通信过程中，每个PHY都会有一个4位的地址。而开发板携带的KSZ8051MNL芯片，可以在上电或复位时，根据引脚设置地址的低3位：

在开发板中，上电时PHYAD[2:0]的值为001，即其地址为0x1。

特别指出，地址0可作为该芯片的广播地址，而开发板也做了这样的配置。另外，在ASF中，错误地将PHY的地址定义成了0。这样能正确工作的原因仅是0为广播地址，而开发板只有一个PHY芯片。严谨起见，将这个地址修改为正确的值：

#ifdef BOARD_GMAC_PHY_ADDR
  #undef BOARD_GMAC_PHY_ADDR
#endif
#define BOARD_GMAC_PHY_ADDR 1

五、 在ASF中使用PHY

使用的模块为Ethernet Physical Transceiver。需要在conf_board.h 中声明宏：

/* 使用 ETH PHY: KSZ8051MNL */
#define CONF_BOARD_KSZ8051MNL

1. 初始化。

   在PHY上电后，需要等待一段时间让其运行稳定。之后就可以对其进行初始化了：

   if (ethernet_phy_init(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR,sysclk_get_cpu_hz()) 
   		!= GMAC_OK) {
   	puts("PHY Initialize ERROR!
   ");
   	return -1;
   }

   在该ethernet_phy_init( ) 函数中，完成了以下工作：

   1. 设置MDIO的时钟MDC。
   2. 通过MDIO向PHY发送重置命令。
   3. 检查地址是否正确。检查的逻辑是先读取PHY的PHYID1的内容，再判断读出的内容是否正确。KSZ8051MNL芯片中，该寄存器的值是0x22。
   4. 如果地址无效的话，因为MDIO有效地址只有32个，就遍历这些地址。然后使用检查出的新地址重新发送一次重置命令。
   5. 如果初始化成功，则返回GMAC_OK。

2. 自协商。

   然后需要让PHY协商通信速率、双工模式：

   ethernet_phy_auto_negotiate(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR);
   if (ethernet_phy_set_link(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR, 0) 
   		!= GMAC_OK) {
   	puts("Set link ERROR!
   ");
   	return -1;
   }

   ethernet_phy_auto_negotiate() 函数就会完成PHY的协商工作，然后根据协商的结果设置GMAC的速率、双工模式。ethernet_phy_set_link() 函数则会检查链路的状态，同时可以根据参数（第3个）应用PHY的自协商结果至GMAC中。

3. 中断处理。

   ASF的GMAC模块需要获取相关的中断，以进行相关的工作：如更新发送缓冲区描述符相关的信息，或是调用用户定义的回调函数等。

   // 需要在NVIC中启用相关中断
   void GMAC_Handler(void)
   {
   	gmac_handler(&gs_gmac_dev);
   }

4. 数据接收。

   先准备好一个缓冲，然后就可以调用gmac_dev_read() 读取出接收到的帧的内容。

   //#define GMAC_FRAME_LENTGH_MAX       1536
   uint8_t eth_buffer[GMAC_FRAME_LENTGH_MAX];
   uint32_t frm_size;
   gmac_dev_read(&gmac_dev, (uint8_t *) eth_buffer,
   		sizeof(eth_buffer), &frm_size);

5. 数据发送。

   gmac_dev_write(&gmac_dev, (uint8_t *)eth_buffer, frm_size, NULL);

   通过该函数即可使用GMAC发送数据，第4个参数是发送完成后的回调函数。该回调函数时是在gmac_handler() 中被调用的。