📚 课程目录第3章 PHY子系统

3. PHY子系统

PHY（Physical Layer）子系统是 Linux 内核网络驱动中连接 MAC 层与物理介质的核心枢纽。它负责管理物理层芯片的状态转换、链路检测、自动协商以及寄存器读写。理解 PHY 状态机、核心数据结构 phy_device 以及驱动注册流程，是掌握网络驱动中断与链路检测协同的基础。

3.1 PHY 状态机：链路生命周期的核心

内核 PHY 层维护了一个有限状态机，用于描述 PHY 芯片从上电到链路建立、断开及错误恢复的完整过程。状态机定义在 <linux/phy.h> 中，由 phy_state 枚举表示。

  核心状态一览： 状态机共包含 8 个状态，驱动在每次中断或轮询时调用 phy_state_machine() 进行状态迁移。

状态	枚举值	说明	典型触发条件
PHY_DOWN	0	PHY 未初始化或已关闭	模块卸载、硬件复位
PHY_READY	1	PHY 硬件就绪，等待启动自动协商	phy_start() 调用
PHY_UP	2	自动协商进行中	phy_start_aneg() 触发
PHY_AN	3	自动协商完成，等待链路建立	AN 完成中断
PHY_RUNNING	4	链路已建立，正常收发数据	链路状态变为 UP
PHY_NOLINK	5	链路断开，等待重连	链路丢失中断
PHY_FORCING	6	强制模式配置中（非自动协商）	用户强制设置速率/双工
PHY_HALTED	7	PHY 暂停，通常用于电源管理	phy_stop() 调用

关键设计点： 状态机在 PHY_RUNNING 和 PHY_NOLINK 之间来回切换，这是中断处理与链路检测协同最频繁的路径。每次切换都会触发 netif_carrier_on/off() 通知网络层。

3.2 phy_device 结构体：PHY 设备的抽象

phy_device 是内核中描述单个 PHY 芯片的核心数据结构，定义在 <linux/phy.h>。它包含了 PHY 的硬件信息、状态、配置回调以及连接关系。

  结构体关键字段分类： 以下表格按功能模块划分 phy_device 的主要成员。

分类	字段名	类型	说明
硬件标识	`phy_id`	`u32`	PHY 芯片的 32 位标识符（OUI + 型号 + 版本）
	`is_c45`	`bool`	是否为 Clause 45 标准 PHY
	`dev_flags`	`u32`	设备特定标志，由板级代码或驱动设置
状态管理	`state`	`enum phy_state`	当前 PHY 状态机状态
	`link`	`bool`	当前链路状态（true=UP, false=DOWN）
	`autoneg`	`bool`	是否启用自动协商
链路参数	`speed`	`int`	当前协商速率（10/100/1000/2500 Mbps）
	`duplex`	`int`	双工模式（DUPLEX_HALF / DUPLEX_FULL）
	`pause`	`int`	流控能力（对称/非对称/无）
驱动绑定	`drv`	`struct phy_driver *`	指向匹配的 PHY 驱动
驱动绑定	`bus`	`struct mii_bus *`	所属的 MII 总线
中断与轮询	`irq`	`int`	PHY 中断号（0 表示轮询模式）
中断与轮询	`phy_link_change`	`void ()(struct phy_device )`	链路变化回调函数
MAC 连接	`attached_dev`	`struct net_device *`	指向绑定的网络设备（MAC 层）

编程要点： 在中断处理中，驱动通常通过 phydev->link 判断当前链路状态，并通过 phydev->state 确认状态机是否处于 PHY_RUNNING。不要直接修改 state，应使用 phy_state_machine() 或 phy_change() 进行安全迁移。

3.3 phy_driver 注册流程：从模块加载到设备匹配

PHY 驱动的注册遵循 Linux 设备驱动模型的标准流程。一个 PHY 驱动需要实现 struct phy_driver 中的回调函数，并通过 phy_driver_register() 或 phy_drivers_register() 注册到内核。

3.3.1 phy_driver 结构体核心回调

回调函数	原型	调用时机	典型实现
`config_init`	`int ()(struct phy_device )`	PHY 设备初始化时	配置硬件特定寄存器、校准
`config_aneg`	`int ()(struct phy_device )`	启动自动协商时	写入 AN 广告寄存器、重启 AN
`read_status`	`int ()(struct phy_device )`	状态机轮询或中断时	读取 BMSR/ANLPAR，更新 speed/duplex/link
`ack_interrupt`	`int ()(struct phy_device )`	中断触发后	读取中断状态寄存器以清除中断
`config_intr`	`int ()(struct phy_device )`	使能/禁用中断时	写中断使能寄存器
`suspend/resume`	`int ()(struct phy_device )`	系统电源管理时	进入/退出低功耗模式

3.3.2 注册流程步骤

定义 phy_driver 结构体： 填充 phy_id、name、features 以及上述回调函数。
调用注册 API： 在模块初始化函数中调用 phy_driver_register(&my_phy_driver) 或批量注册 phy_drivers_register()。
内核匹配： 内核通过 phy_id 与 MII 总线上扫描到的 PHY 设备进行匹配，匹配成功后调用 probe 回调。
设备初始化： 在 probe 中完成硬件初始化，设置 phydev->drv 指向当前驱动。
状态机启动： 上层调用 phy_start() 后，状态机开始运行，驱动回调被逐步调用。

常见错误：

phy_id 掩码设置错误导致驱动无法匹配设备。应使用 PHY_ID_MATCH_EXACT(id) 或 PHY_ID_MATCH_MODEL(id) 宏。
read_status 回调未正确更新 phydev->link，导致状态机无法进入 PHY_RUNNING。
中断模式下未实现 ack_interrupt，导致中断风暴。