文章目录

1. 简介
2. phy_device
- 2.1 mdio bus
- 2.2 mdio device
- 2.3 mdio driver
- 2.4 poll task
- - 2.4.1 自协商配置
  - 2.4.2 link 状态读取
  - 2.4.3 link 状态通知
3. phylink
- 3.1 phylink_create()
- 3.2 phylink_connect_phy()
- 3.3 phylink_start()
- 3.3 poll task
参考资料

1. 简介

在调试网口驱动的过程中发现 phy 芯片的驱动框架结构还有点复杂，不仔细研究的话还不好搞懂，另外百度到的资料也不够全面，这篇就总结梳理一下这方面的知识。

我们知道一个 phy 驱动的原理是非常简单的，一般流程如下：

1、用轮询/中断的方式通过 mdio 总线读取 phy 芯片的状态。
2、在 phy link 状态变化的情况下，正确配置 mac 的状态。（例如：根据 phy 自协商的速率 10/100/1000M 把 mac 配置成对应速率）

下面就以 stmmac 网口驱动为例，展示一下 phy 驱动整个调用过程。整个 phy 驱动的主要调用流程如下图所示：

2. phy_device

首先每个 phy 芯片会创建一个 struct phy_device 类型的设备，对应的有 struct phy_driver 类型的驱动，这两者实际上是挂载在 mdio_bus_type 总线上的。

2.1 mdio bus

mdio 总线的定义：

struct bus_type mdio_bus_type = {.name      = "mdio_bus",.dev_groups = mdio_bus_dev_groups,.match       = mdio_bus_match,.uevent       = mdio_uevent,
};

2.2 mdio device

网口驱动在初始化 probe() 时遍历 dts 的定义创建相应struct phy_device 类型的设备：

stmmac_dvr_probe()
`-| stmmac_mdio_register()`-| stmmac_mdio_register()`-| {|  new_bus = mdiobus_alloc();|  new_bus->read = &stmmac_xgmac2_mdio_read;  // mdio 读写函数|  new_bus->write = &stmmac_xgmac2_mdio_write;| |  of_mdiobus_register(new_bus, mdio_node);`-| of_mdiobus_register_phy(mdio, child, addr);`-| get_phy_device()`-| get_phy_c22_id(bus, addr, &phy_id);`-| {|  phy_reg = mdiobus_read(bus, addr, MII_PHYSID1); // 通过 mdio 总线读取 phy 芯片 id|  phy_reg = mdiobus_read(bus, addr, MII_PHYSID2);| }| phy_device_create(bus, addr, phy_id, is_c45, &c45_ids);`-| {|  mdiodev->dev.bus = &mdio_bus_type;|  mdiodev->dev.type = &mdio_bus_phy_type;|  mdiodev->bus_match = phy_bus_match;|  INIT_DELAYED_WORK(&dev->state_queue, phy_state_machine); // 这里就是 phy device 的轮询任务| }| of_mdiobus_phy_device_register()`-| phy_device_register()`-| device_add()

2.3 mdio driver

mdio bus 会根据 struct phy_device 的 phy id 和 struct phy_driver 进行 match，如果没有找到对应驱动会使用通用驱动 genphy_driver：

static struct phy_driver genphy_driver = {.phy_id       = 0xffffffff,.phy_id_mask  = 0xffffffff,.name     = "Generic PHY",.get_features    = genphy_read_abilities,.suspend   = genphy_suspend,.resume       = genphy_resume,.set_loopback   = genphy_loopback,
};

以 genphy_driver 为例 struct phy_device 的注册过程如下：

phy_init()
`-| phy_driver_register(&genphy_driver, THIS_MODULE);`-| {|  new_driver->mdiodrv.driver.bus = &mdio_bus_type;|  new_driver->mdiodrv.driver.probe = phy_probe;|  new_driver->mdiodrv.driver.remove = phy_remove;| }| driver_register()

其中一个关键点是 mdio driver 的 probe 函数是一个通用函数 phy_probe()，match 成功时会调用它读取状态寄存器来确定 phy 芯片的能力：

phy_probe()
`-| genphy_read_abilities()`-| {|  val = phy_read(phydev, MII_BMSR); // 读取 mdio 0x01 寄存器来确定 phy 的 10/100M 能力|  linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_Autoneg_BIT, phydev->supported, val & BMSR_ANEGCAPABLE);|  linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_100baseT_Full_BIT, phydev->supported, val & BMSR_100FULL);|  linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_100baseT_Half_BIT, phydev->supported, val & BMSR_100HALF);|  linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_10baseT_Full_BIT, phydev->supported, val & BMSR_10FULL);|  linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_10baseT_Half_BIT, phydev->supported, val & BMSR_10HALF);|  if (val & BMSR_ESTATEN) {|   val = phy_read(phydev, MII_ESTATUS); // 读取 mdio 0x0f 寄存器来确定 phy 的 1000M 能力|   linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_1000baseT_Full_BIT, phydev->supported, val & ESTATUS_1000_TFULL);|   linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_1000baseT_Half_BIT, phydev->supported, val & ESTATUS_1000_THALF);|   linkmode_mod_bit(ETHTOOL_LINK_MODE_1000baseX_Full_BIT, phydev->supported, val & ESTATUS_1000_XFULL);|  }| }

2.4 poll task

上面 phy_device_create() 函数中创建了一个重要的 work phy_state_machine()，这个就是 phy_device 查询任务的主体，用来查询 phy 芯片的状态维护 phy 状态机。

在网口驱动启动时会启动这个 work：

net_device_ops->ndo_open()
`-| stmmac_open()`-| phylink_start()`-| phy_start()`-| phydev->state = PHY_UP;| phy_start_machine()`-| phy_trigger_machine()`-| phy_queue_state_machine(phydev, 0);`-| mod_delayed_work(system_power_efficient_wq, &phydev->state_queue, jiffies);

phy_state_machine() 的核心逻辑如下所示：

void phy_state_machine(struct work_struct *work)
{old_state = phydev->state;/* (1) 状态机主体 */switch (phydev->state) {/* (1.1) 在 PHY_DOWN/PHY_READY 状态下不动作 */case PHY_DOWN:case PHY_READY:break;/* (1.2) 在 PHY_UP 状态下，表明网口被 up 起来，需要启动自协商并且查询自协商后的 link 状态如果自协商结果是 link up，进入 PHY_RUNNING 状态如果自协商结果是 link down，进入 PHY_NOLINK 状态*/case PHY_UP:needs_aneg = true;break;/* (1.3) 在运行的过程中定时轮询 link 状态如果 link up，进入 PHY_RUNNING 状态如果 link down，进入 PHY_NOLINK 状态*/case PHY_NOLINK:case PHY_RUNNING:err = phy_check_link_status(phydev);break;}/* (2) 如果需要，启动自协商配置 */if (needs_aneg)err = phy_start_aneg(phydev);/* (3) 如果 phy link 状态有变化，通知给对应网口 netdev */if (old_state != phydev->state) {phydev_dbg(phydev, "PHY state change %s -> %s\n",phy_state_to_str(old_state),phy_state_to_str(phydev->state));if (phydev->drv && phydev->drv->link_change_notify)phydev->drv->link_change_notify(phydev);}/* (4) 重新启动 work，周期为 1s */if (phy_polling_mode(phydev) && phy_is_started(phydev))phy_queue_state_machine(phydev, PHY_STATE_TIME);
}

标准的 mdio/mii 寄存器列表定义如下：

/* Generic MII registers. */
#define MII_BMCR        0x00    /* Basic mode control register */
#define MII_BMSR        0x01    /* Basic mode status register  */
#define MII_PHYSID1     0x02    /* PHYS ID 1                   */
#define MII_PHYSID2     0x03    /* PHYS ID 2                   */
#define MII_ADVERTISE       0x04    /* Advertisement control reg   */
#define MII_LPA         0x05    /* Link partner ability reg    */
#define MII_EXPANSION       0x06    /* Expansion register          */
#define MII_CTRL1000        0x09    /* 1000BASE-T control          */
#define MII_STAT1000        0x0a    /* 1000BASE-T status           */
#define MII_MMD_CTRL        0x0d    /* MMD Access Control Register */
#define MII_MMD_DATA        0x0e    /* MMD Access Data Register */
#define MII_ESTATUS     0x0f    /* Extended Status             */
#define MII_DCOUNTER        0x12    /* Disconnect counter          */
#define MII_FCSCOUNTER      0x13    /* False carrier counter       */
#define MII_NWAYTEST        0x14    /* N-way auto-neg test reg     */
#define MII_RERRCOUNTER     0x15    /* Receive error counter       */
#define MII_SREVISION       0x16    /* Silicon revision            */
#define MII_RESV1       0x17    /* Reserved...                 */
#define MII_LBRERROR        0x18    /* Lpback, rx, bypass error    */
#define MII_PHYADDR     0x19    /* PHY address                 */
#define MII_RESV2       0x1a    /* Reserved...                 */
#define MII_TPISTATUS       0x1b    /* TPI status for 10mbps       */
#define MII_NCONFIG     0x1c    /* Network interface config    */

2.4.1 自协商配置

具体启动 phy 自协商的代码流程如下：

phy_state_machine()
`-| phy_start_aneg()`-| phy_config_aneg()`-| genphy_config_aneg()`-| __genphy_config_aneg()`-| genphy_setup_master_slave() // (1) 如果是千兆网口，配置其 master/slave`-| {|  phy_modify_changed(phydev, MII_CTRL1000,    // 配置 mdio 0x09 寄存器|     (CTL1000_ENABLE_MASTER | CTL1000_AS_MASTER | CTL1000_PREFER_MASTER), ctl);| }| genphy_config_advert() // (2) 设置本端的 advert 能力`-| {|  linkmode_and(phydev->advertising, phydev->advertising, phydev->supported);|  adv = linkmode_adv_to_mii_adv_t(phydev->advertising);|  phy_modify_changed(phydev, MII_ADVERTISE,   // 10M/100M 能力配置到 mdio 0x04 寄存器|       ADVERTISE_ALL | ADVERTISE_100BASE4 ||       ADVERTISE_PAUSE_CAP | ADVERTISE_PAUSE_ASYM, adv);|  if (!(bmsr & BMSR_ESTATEN)) return changed;|  adv = linkmode_adv_to_mii_ctrl1000_t(phydev->advertising);|  phy_modify_changed(phydev, MII_CTRL1000,    // 1000M 能力配置到 mdio 0x09 寄存器|       ADVERTISE_1000FULL | ADVERTISE_1000HALF, adv);| }| genphy_check_and_restart_aneg()`-| genphy_restart_aneg() // (3) 启动 phy 自协商`-| {|  phy_modify(phydev, MII_BMCR, BMCR_ISOLATE,   // 配置 mdio 0x00 寄存器|       BMCR_ANENABLE | BMCR_ANRESTART);| }

2.4.2 link 状态读取

phy link 状态读取的代码流程如下：

phy_state_machine()
`-| phy_check_link_status()`-| phy_read_status()    // (1) 读取 link 状态 `-| genphy_read_status()`-| {|  genphy_update_link(phydev);   // (1.1) 更新 link 状态|  if (phydev->autoneg == AUTONEG_ENABLE && old_link && phydev->link) return 0;|  genphy_read_master_slave(phydev); // (1.2) 如果是千兆网口，更新本端和对端的 master/slave|  genphy_read_lpa(phydev);  // (1.3) 更新对端(link partner) 声明的能力|  if (phydev->autoneg == AUTONEG_ENABLE && phydev->autoneg_complete) {|    phy_resolve_aneg_linkmode(phydev);  // (1.4.1) 自协商模式，解析 link 结果|  } else if (phydev->autoneg == AUTONEG_DISABLE) {|    genphy_read_status_fixed(phydev); // (1.4.2) 固定模式，解析 link 结果|  }| }| if (phydev->link && phydev->state != PHY_RUNNING) {  // (2) link 状态 change 事件：变成 link up|   phydev->state = PHY_RUNNING;|   phy_link_up(phydev);   // link up 事件，通知给 phylink| } else if (!phydev->link && phydev->state != PHY_NOLINK) {  // (3) link 状态 change 事件：变成 link down|   phydev->state = PHY_NOLINK;|   phy_link_down(phydev); // link down 事件，通知给 phylink| }

2.4.3 link 状态通知

phy 的 link 状态变化怎么通知给 netdev，并且让 mac 做出相应的配置改变，这个是通过一个中介 phylink 来实现的。

phy_device 把 link 状态通知给 phylink 的流程如下：

phy_link_up()/phy_link_down()
`-| phydev->phy_link_change(phydev, true/false);`-| phylink_phy_change()`-| {|  pl->phy_state.speed = phydev->speed;     // (1) 把 `phy_device`  状态更新给 `phylink`|  pl->phy_state.duplex = phydev->duplex;|  pl->phy_state.interface = phydev->interface;|  pl->phy_state.link = up;|  phylink_run_resolve(pl);     // (2) 通知 `phylink` 的轮询任务启动| }

3. phylink

在 linux 内核中，以太网 mac 会被注册成 struct net_device，phy 芯片会被注册成 struct phy_device。 phy_device 的状态怎么传递给 net_device，让其在 link 状态变化时做出对应的配置改变，这个任务就落在上述的 struct phylink 中介身上。

因为 phylink 只是一个中介，所以它不会创建对应的 device，它的核心在以下的几个函数当中。

3.1 phylink_create()

网口驱动在初始化 probe() 中创建 struct net_device 的同时也创建了 struct phylink：

stmmac_dvr_probe()
`-| stmmac_phy_setup()`-| phylink_create(&priv->phylink_config, fwnode, mode, &stmmac_phylink_mac_ops);`-| {|  INIT_WORK(&pl->resolve, phylink_resolve);     // phylink 的轮询任务|  pl->mac_ops = mac_ops;|  timer_setup(&pl->link_poll, phylink_fixed_poll, 0);| }

这里的 stmmac_phylink_mac_ops 就包含了 mac 对 phy link 状态变化相应的相关函数：

static const struct phylink_mac_ops stmmac_phylink_mac_ops = {.validate = stmmac_validate,.mac_pcs_get_state = stmmac_mac_pcs_get_state,.mac_config = stmmac_mac_config,.mac_an_restart = stmmac_mac_an_restart,.mac_link_down = stmmac_mac_link_down,.mac_link_up = stmmac_mac_link_up,
};

3.2 phylink_connect_phy()

在网口驱动启动时会启动时，会连接 phylink 和 phy_device：

net_device_ops->ndo_open()
`-| stmmac_open()`-| stmmac_init_phy()`-| phylink_of_phy_connect()`-| phy_attach_direct()| phylink_bringup_phy()`-| {|  phy->phylink = pl;|  phy->phy_link_change = phylink_phy_change; // (1) 设置 phy_device 的通知函数|  timer_setup(&pl->link_poll, phylink_fixed_poll, 0);| }

3.3 phylink_start()

在连接完成后，会同时启动 phylink 和 phy_device 的轮询任务：

net_device_ops->ndo_open()
`-| stmmac_open()`-| phylink_start()`-| mod_timer(&pl->link_poll, jiffies + HZ);  // (1) 启动 `phylink` 的轮询任务`-| phylink_fixed_poll()`-| phylink_run_resolve()`-| queue_work(system_power_efficient_wq, &pl->resolve);| phy_start()   // (2) 启动 `phy_device` 的轮询任务`-| phydev->state = PHY_UP;| phy_start_machine()`-| phy_trigger_machine()`-| phy_queue_state_machine(phydev, 0);`-| mod_delayed_work(system_power_efficient_wq, &phydev->state_queue, jiffies);

3.3 poll task

phylink 的轮询任务就是查询 phy_device 更新过来的 link 状态，调用 stmmac_phylink_mac_ops 相关函数来同步配置 mac：

phylink_resolve()
`-| {|  link_state = pl->phy_state;|  phylink_link_up()/phylink_link_down()`-| pl->mac_ops->mac_link_up()`-| stmmac_mac_link_up()  // (1) 配置 mac 为相应状态

参考资料

1.以太网PHY寄存器分析

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