以太网PHY寄存器分析
1、以太网PHY标准寄存器分析
PHY是中定义的一个标准模块,STAstation management entity，管理实体，一般为MAC或CPU通过SMISerial Manage Interface对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的;PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器随着芯片功能不断增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间以定义更多的寄存器，在此不作讨论，定义了地址为0-15这16个寄存器的功能，地址16-31的寄存器留给芯片制造商自由定义，如表1所示；以下结合实际应用，对定义的寄存器各项功能进行分析;
表1 PHY 管理寄存器集
Register address Register name
Basic/Extended MII GMII
0 Control    B    B
1 Status    B    B 2,3 PHY Identifier    E    E
4 Auto-Negotiation
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E    E
5 Auto-Negotiation Link Partner
Base Page Ability
E    E
6 Auto-Negotiation Expansion    E    E
7 Auto-Negotiation Next Page
Transmit
E    E
8 Auto-Negotiation Link Partner
Received Next Page
negotiation autoE    E
9 MASTER-SLAVE Control
Register
E    E
10 MASTER-SLAVE Status
Register
E    E
11 through 14 Reserved    E    E
15 Extended Status Reserved    B
16 through 31 Vendor Specific    E    E Control Register
寄存器0是PHY控制寄存器，通过Control Register可以对PHY的主要工作状态进行设置;Control Register的每一位完成的功能见表2;
表2 Control Register
Bits Name Description R/Wa
Reset 1 = PHY reset
0 = normal operation
R/W
SC
Loopback 1 = enable loopback mode
0 = disable loopback mode
R/W
Speed Selection LSB 1 1 = Reserved
1 0 = 1000 Mb/s
0 1 = 100 Mb/s
0 0 = 10 Mb/s
R/W
Auto-Negotiation Enable 1 = Enable Auto-Negotiation Process
0 = Disable Auto-Negotiation Process
R/W
Power Down 1 = power down
0 = normal operation
R/W
Isolate 1 = electrically Isolate PHY from MII or
GMII
0 = normal operation
R/W
Restart Auto-Negotiation 1 = Restart Auto-Negotiation Process
0 = normal operation
R/W
SC
Duplex Mode 1 = Full Duplex
0 = Half Duplex
R/W
Collision Test 1 = enable COL signal test
0 = disable COL signal test
R/W
Speed Selection MSB 1 1 = Reserved
1 0 = 1000 Mb/s
0 1 = 100 Mb/s
0 0 = 10 Mb/s
R/W
:0 Reserved Write as 0, ignore on Read R/W Reset：Bit15控制的是PHY复位功能，在该位置写入1实现对PHY的复位
操作；复位后该端口PHY的其他控制、状态寄存器将恢复到默认值，每次PHY复
位应该在的时间内完成，复位过程中Bit15保持为1，复位完成之后该位应该自动清零；一般要改变端口的工作模式如速率、双工、流控或协商信息等时，在设置完相
应位置的寄存器之后，需要通过Reset位复位PHY来使配置生效;
Loopback：Loopback是一个调试以及故障诊断中常用的功能,Bit14置1之后,PHY和外部MDI的连接在逻辑上将被断开，从MAC经过MII/GMII也可能是其他的MAC/PHY接口发送过来的数据将不会被发送到MDI上，而是在PHY内
部一般在PCS回环到本端口的MII/GMII接收通道上，通过Loopback功能可以检查MII/GMII以及PHY接口部分是否工作正常，对于端口不通的情况可用于故障
定位；需要注意的是，很多时候PHY设置Loopback后端口可能就Link down
了,MAC无法向该端口发帧，这时就需要通过设置端口Force Link up才能使用Loopback功能;
案例：在S3760-12SFP/GT开发过程中，我们曾经出现过一个故障，其中有一
片PHY88E1145对应的端口发送的帧出现CRC错误，当时这个问题的排查过程经
历和很长的时间，最后得出的结论是RGMII的接口电平配置电阻焊接混料导致故障；我们姑且不去考虑这个案例实际的解决过程，在这里讨论一下如何通过Loopback功能对该问题进行定位;
首先介绍一下S3760交换部分的架构,MAC芯片为98EX126，通过RGMII接口连接到PHY芯片88E1145,MAC通过PCI管理总线连接到CPU；在这个案例中，查看88E1145的资料，其Loopback操作在PCS子层完成，两个方向的Loopback，如下图所示；第一种模式，从MAC经过RGMII发送的帧到达PCS后被Loopback 到RGMII的接收通道再送回给MAC这种模式就是上面所描述的寄存器0 Loopback位控制的Loopback模式，另一种模式，从MDI接收上来的帧到达PCS后被Loopback到MDI的发送通道，这种Loopback模式在中并没有要求，但是目前常见的PHY都支持该功能；分别做这两种Loopback操作，可以发现第一种Loopback 操作之后可以在MAC上检测到CRC错误，而第二种Loopback模式，用SMB从端口砸帧再Loopback回来没有检测到CRC错误，这样我们就可以判断故障应该在PCS以上的部分，并且，两种Loopback模式下PHY的PCS都有再工作，基本上也可以排除PCS的故障；因此可以进一步定位到故障在PHY的RGMII或者MAC上；我们就可以去检查这些部分的相关设计来解决问题了;
要进一步更精确的定位问题，我们还可以去查询MAC芯片是否有类似的端口Loopback功能，如果有则在MAC内部也做一下Loopback观察是否有CRC；如果没有，可以将MAC和PHY的RGMII接口断开，将MAC的RGMII发送和接收通道自己连接起来，将PHY的RGMII发送和接收通道自己连接起来，分别做砸帧测试观察有没有CRC，这样就可以进一步的缩小范围；不过这个S3760的案例有其特殊性,98EX126没有端口的Loopback功能，而MAC的RGMII发送信号直接连接到PHY，中间没有电阻，而且两者都是BGA封装，这两个实验都没办法进行；因此故障排查中需要检查的范围就比较广一点了；但是从中我们我们可以看
出,Loopback操作在故障定位中可以起到将各个功能模块隔离定位的作用，虽然这些模块在物理上是集成在一个芯片中的；这种分割隔离的思想在故障定位中是非常重要的;
Speed Selection：Bit13和Bit6两位联合实现对端口的速率控制功能，具体的对应关系祥见表2；需要注意的是Speed Selection只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用；并且，对Speed Selection的修改设置，往往需要复位端口才能配置生效；因此在设置该位置的时候需要检查自动协商的设置并通过Bit15复位端口;
Auto-Negotiation Enable：自动协商AN开关；设置为1表示打开AN功能，端口的工作模式通过和连接对端进行AN来确定；如果设置为0则AN功能关系，端口的工作模式通过Control Register相应位置的配置决定；必须注意的是，对于1000BASE-T接口，自动协商必须打开;
Power Down：端口工作开关；设置为1将使端口进入Power Down模式，正常情况下PHY在Power Down模式其MII和MDI均不会对外发送数据;Power Down 模式一般在软件shut down端口的时候使用，需要注意的是端口从Power Down模式恢复，需要复位端口以保证端口可靠的连接;
Isolate：隔离状态开关；改位置1将导致PHY和MII接口之间处于电气隔离状态，除了MDC/MDIO接口的信号外，其他MII引脚处于高阻态；没有对Isolate 时MDI接口的状态进行规范，此时MDI端可能还在正常运行;Isolate在实际应用中并没有用到；并且，值得注意的是，由于目前很多百兆的PHY芯片其MAC接
口主流的
都是SMII/S3MII,8个端口的接口是相互关联的，一个端口设置Isolate可能会影响其他端口的正常使用，因此在使用中注意不要随意更改bit10的状态;
Restart Auto-Negotiation ：重新启动自动协商开关;Bit9置1将重新启动端口的自动协商进程，当然前提是Auto-Negotiation Enable是使能的；一般在修改端口的自动协商能力信息之后通过Bit9置1重新启动自动协商来使端口按照新的配置建立link;
Duplex Mode：双工模式设置;Bit8置1端口设置为全双工，置0则端设置为半双工，和Speed Selection的设置一样,Duplex Mode的设置只有在自动协商关闭的情况下才起作用，如果自动协商设置为Enable状态，则该设置不起作用，端口的双工模式根据AN结果来定；对Duplex Mode的修改配置也需要复位端口才能生效;
Collision Test：冲突信号COL测试开关；在需要对COL信号进行测试时，可以通过Bit7置1，这时PHY将输出一个COL脉冲以供测试；实际测试操作中也可以将端口配置为半双工状态，通过发帧冲突来测试COL信号，因此该配置实用价值不大;
Status register
寄存器1是PHY状态寄存器，主要包含PHY的状态信息，大多数bit的值都是由芯片厂家确定的，每一个bit的功能在表3种已有详细说明；其中指示PHY所具有的工作模式能力的寄存器不再多讲，值得注意的有以下几位;
表3 Status register
Bits Name Description R/Wa
100BASE-T4 1 = PHY able to perform 100BASE-T4
0 = PHY not able to perform 100BASE-T4
RO
100BASE-X Full Duplex 1 = PHY able to perform full duplex
100BASE-X
0 = PHY not able to perform full duplex
100BASE-X
RO
100BASE-X Half Duplex 1 = PHY able to perform half duplex
100BASE-X
0 = PHY not able to perform half duplex
100BASE-X
RO
10 Mb/s Full Duplex 1 = PHY able to operate at 10 Mb/s in full
duplex mode
0 = PHY not able to operate at 10 Mb/s in
full duplex mode
RO
10 Mb/s Half Duplex 1 = PHY able to operate at 10 Mb/s in half duplex mode
0 = PHY not able to operate at 10 Mb/s in
half duplex mode
RO
100BASE-T2 Full Duplex 1 = PHY able to perform full duplex
100BASE-T2
0 = PHY not able to perform full duplex
RO
100BASE-T2
100BASE-T2 Half Duplex 1 = PHY able to perform half duplex
100BASE-T2
0 = PHY not able to perform half duplex
100BASE-T2
RO
Extended Status 1 = Extended status information in Register
15
0 = No extended status information in
Register 15
RO
Reserved ignore when read RO
MF Preamble Suppression 1 = PHY will accept management frames
with preamble suppressed.
0 = PHY will not accept management frames
with preamble suppressed.
RO
Auto-Negotiation Complete 1 = Auto-Negotiation process completed
0 = Auto-Negotiation process not completed
RO
Remote Fault 1 = remote fault condition detected
0 = no remote fault condition detected
RO/
LH
Auto-Negotiation Ability 1 = PHY is able to perform Auto-Negotiation
0 = PHY is not able to perform
Auto-Negotiation
RO
Link Status 1 = link is up
0 = link is down
RO/
LL
Jabber Detect 1 = jabber condition detected
0 = no jabber condition detected
RO/
LH
1 Extended
Capability
1 = extended register capabilities
0 = basic register set capabilities only
RO
Auto-Negotiation Complete：AN完成状态指示位;Bit5指示的是端口AN进程是否完成的状态位；在AN Enable的情况下,Bit5=1表示自动协商进程已经成功结束，此时PHY的其他和Link状态相关的寄存器才是正确可靠的；如果AN进程没有完成，则这些状态信息可能是错误的；在调试以及异常故障处理时，可以通过该位寄存器的状态判断AN是否成功，从而进一步的检查AN相关的设置是否正确，或者芯片的AN功能是否正常等;
Remote Fault：远端错误指示位;Bit4=1代表连接对端Link Partner出错，至于出错的具体类型以及错误检测机制在规范中并没有定义，由PHY的制造商自由发挥，一般的厂商都会在其他的寄存器Register16-31由厂商自行定义指示比较详细的错误类型；在与端口相关的故障查证中,Remote Fault是一个重要的指示信息，通过互联双方的Remote Fault信息可能要加上其他的具体错误指示，可以帮助定位故障原因;
Link Status：Link状态指示位;Bit2=1代表端口Link up,0则代表端口Link down；实际应用中一般都是通过Bit2来判断端口的状态；而且，一般的MAC芯片也是通过轮询PHY的这个寄存器值来判断端口的Link状态的这个过程可能有不同的名称，比如BCM叫做Link Scan，而Marvell叫做PHY Polling；如前所述，在AN