【驱动】以太网扫盲（四）phy驱动link up流程分析
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 mdiobus
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
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