SAM4E單片機之旅——22、GMAC和PHY的介紹與初始化

　　網絡通信的作用不用多說，而這次進行的工作即是對乙太網通信過程中，需要用到的硬體部分進行初始化，也介紹了發送和接收數據的方法。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201704/358580.htm

　　由於較為複雜，所以使用了ASF框架。但是也會對用到的庫函數的實現做一個介紹。

　　一、 MAC、PHY和MII

　　IEEE 802.3是現在常用的乙太網標準，它定義了物理層(Physical Layer， PHY)和介質訪問控制層(Media Access Control， MAC)的標準。另外，在OSI模型中，MAC則處於數據鏈路層的底層。

　　而在硬體實現上，M4使用的GMAC外設實現了802.3中MAC的功能。開發板攜帶型號為KSZ8051MNL的PHY晶片以及RJ45接口則實現了物理層的功能：

 

　　MAC和PHY之間交互的接口則是介質獨立接口(Media Independent Interface，MII)。MII包含一個數據通信接口，以及一個管理接口(Management Data Input/Output ，MDIO)。由於PHY的接口是面向MAC的，所以我們需要通過MAC來對PHY進行管理及數據交互。

　　另外，更早制定的Ethernet II幀則是現在乙太網傳輸中常使用的幀格式。

　　二、 GMAC的DMA緩衝區

　　GMAC使用了一個DMA接口。和M4的通用DMAC一樣，它也可以自動進行多次傳輸，但是方式稍微有點區別。GMAC的DMA 對發送和接收使用不同的緩衝區列表，而緩衝區描述符列表是一個數組，而不是DMAC所使用的鍊表。數組的起始位置保存在寄存器(GMAC_RBQB、GMAC_TBQB)中，且緩衝區描述符中有一個欄位(Wrap)指示其是否為數組中的最後一個描述符。如接收緩衝區：

　　  

 

　　在工作過程中，DMA會順序訪問每個緩衝區描述符，而在訪問最後一個描述符時，就會重新開始遍歷。

　　對於接收緩衝，列表中每一個緩衝區的長度是一樣的，這個長度由DMA配置寄存器(GMAC_DCFGR)中的DRBS欄位指定。在DMA將數據寫入接收緩衝時，也會設置描述符相應的欄位，以表明每幀的起始與結束;同時，也會標註相關的信息，如是否為廣播幀等。

　　對於發送緩衝，其幀長度、是否需要添加CRC等控制信息也均在描述符中表示。在準備好數據後，向GMAC_NCR寄存器寫入TSTART欄位即可觸發發送操作。

　　三、 使用ASF初始化GMAC

　　由於PHY是通過MAC訪問的，所有在設置PHY前要完成GMAC的設置。

　　GMAC約有94個寄存器，其中約有40個為統計寄存器，約15個寄存器與1588和PTP相關，約15個寄存器與特殊地址和ID有關。另外，在有些狀態寄存器中，需要向特定位寫入1才會清除該位的狀態。

　　使用的ASF模塊為Ethernet GMAC，然後conf_eth.h中可以設置MAC地址，IP位址，子網掩碼，網關以及緩衝區大小等參數。

　　然後調用gmac_dev_init( ) 函數即可對GMAC進行初始化：

　　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選項

　　gmac_options_t gmac_option;

　　gmac_option.uc_copy_all_frame = 0; //　不拷貝所有幀

　　gmac_option.uc_no_boardcast = 0; //　不忽略廣播

　　memcpy(gmac_option.uc_mac_addr,

　　mac_address, sizeof(mac_address)); //拷貝MAC地址

　　// GMAC驅動設置

　　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) 函數完成了以下的工作：

　　禁用發送接收，禁用GMAC所有中斷;清除統計寄存器，以及發送接受狀態寄存器。

　　設置GMAC_NCFGR寄存器。根據p_opt，判斷是否拷貝所有幀，以及是否忽略廣播。同時，追加GMAC_NCFGR_PEN 和 GMAC_NCFGR_IRXFCS位。(我覺得這裡應該是個BUG，從其注釋判斷需要追加的應該是GMAC_NCFGR_RFCS位)

　　設置好DMA緩衝，然後調用gmac_init_mem( ) 對緩衝區描述符等進行初始化。這個函數裡也會使能發送和接收，同時也會啟用一系列的中斷。設置完成後，DMA緩衝的信息將儲存在p_gmac_dev中。

　　將MAC地址寫入特別地址寄存器1。

　　四、 PHY的地址

　　在MDIO通信過程中，每個PHY都會有一個4位的地址。而開發板攜帶的KSZ8051MNL晶片，可以在上電或復位時，根據引腳設置地址的低3位：

　　  

 

　　在開發板中，上電時PHYAD[2:0]的值為001，即其地址為0x1。

　　特別指出，地址0可作為該晶片的廣播地址，而開發板也做了這樣的配置。另外，在ASF中，錯誤地將PHY的地址定義成了0。這樣能正確工作的原因僅是0為廣播地址，而開發板只有一個PHY晶片。嚴謹起見，將這個地址修改為正確的值：

　　#ifdef BOARD_GMAC_PHY_ADDR

　　#undef BOARD_GMAC_PHY_ADDR

　　#endif

　　#define BOARD_GMAC_PHY_ADDR 1

　　五、 在ASF中使用PHY

　　使用的模塊為Ethernet Physical Transceiver。需要在conf_board.h 中聲明宏：

　　/* 使用 ETH PHY: KSZ8051MNL */

　　#define CONF_BOARD_KSZ8051MNL

　　初始化。

　　在PHY上電後，需要等待一段時間讓其運行穩定。之後就可以對其進行初始化了：

　　if (ethernet_phy_init(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR,sysclk_get_cpu_hz())

　　!= GMAC_OK) {

　　puts("PHY Initialize ERROR!\r");

　　return -1;

　　}

　　在該ethernet_phy_init( ) 函數中，完成了以下工作：

　　設置MDIO的時鐘MDC。

　　通過MDIO向PHY發送重置命令。

　　檢查地址是否正確。檢查的邏輯是先讀取PHY的PHYID1的內容，再判斷讀出的內容是否正確。KSZ8051MNL晶片中，該寄存器的值是0x22。

　　如果地址無效的話，因為MDIO有效地址只有32個，就遍歷這些地址。然後使用檢查出的新地址重新發送一次重置命令。

　　如果初始化成功，則返回GMAC_OK。

　　自協商。

　　然後需要讓PHY協商通信速率、雙工模式：

　　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!\r");

　　return -1;

　　}

　　ethernet_phy_auto_negotiate() 函數就會完成PHY的協商工作，然後根據協商的結果設置GMAC的速率、雙工模式。ethernet_phy_set_link() 函數則會檢查鏈路的狀態，同時可以根據參數(第3個)應用PHY的自協商結果至GMAC中。

　　中斷處理。

　　ASF的GMAC模塊需要獲取相關的中斷，以進行相關的工作：如更新發送緩衝區描述符相關的信息，或是調用用戶定義的回調函數等。

　　// 需要在NVIC中啟用相關中斷

　　void GMAC_Handler(void)

　　{

　　gmac_handler(&gs_gmac_dev);

　　}

　　數據接收。

　　先準備好一個緩衝，然後就可以調用gmac_dev_read() 讀取出接收到的幀的內容。

　　//#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);

　　數據發送。

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

　　通過該函數即可使用GMAC發送數據，第4個參數是發送完成後的回調函數。該回調函數時是在gmac_handler() 中被調用的。