Linux PHY幾個狀態的跟蹤
阿新 • • 發佈：2019-01-07
前面文章零零星星地分析了PHY，本來想完整地，系統地做分析，發現工程量太大了，而自己又一知半解，所以只好各個擊破，一點一點來分析。本文主要分析了裝置上電、撥出網線、插上網線、自動協商等過程的PHY狀態。
MAC驅動和PHY驅動
PHY一般和具體的MAC控制驅動聯絡一起，這裡以TI的MAC驅動為例，由它切入到PHY驅動。Linux核心通過mdio匯流排訪問、控制PHY，原始碼實現在driver/net/phy/mdio_bus.c中。下面是mdio掃描、找到並註冊phy的過程：
davinci_mdio_probe ->mdiobus_register -> device_register -> mdiobus_scan -> get_phy_device -> get_phy_id // 讀暫存器 -> phy_device_create -> INIT_DELAYED_WORK(&dev->state_queue, phy_state_machine); // !!!!!!初始化狀態機函式 -> phy_device_register
在phy_device_create中做了大量的初始化工作，比如預設就是使能自動協商，另外呼叫INIT_DELAYED_WORK(&dev->state_queue, phy_state_machine)建立phy的狀態機，——實際上它是一個延時工作佇列。
cpsw驅動在net_device_ops的ndo_open函式，亦即cpsw_ndo_open中呼叫cpsw_slave_open，通過phy_connect與phy連線，同時將cpsw_adjust_link賦值給phy的狀態調整函式指標adjust_link。在些過程將將PHY狀態機開啟。
這個過程主要的函式如下：
cpsw_ndo_open -> cpsw_slave_open -> phy_connect (傳遞cpsw_adjust_link) -> phy_connect_direct （PHY_READY） -> phy_prepare_link (賦值cpsw_adjust_link為adjust_link) -> phy_start_machine -> phy_start (PHY_READY變成PHY_UP)
當系統啟動時，經過上述的步驟，一切已經準備妥當。就等著迎接PHY的狀態變更了。在這裡，需要提及的函式是cpsw_adjust_link，它呼叫了_cpsw_adjust_link，之後通知核心其它網路模組當前的狀態。這個函式將在phy狀態機函式中時時被呼叫，所以要關注一下。程式碼如下：
真正幹活(設定)的是這個函式：static void cpsw_adjust_link(struct net_device *ndev) { struct cpsw_priv *priv = netdev_priv(ndev); bool link = false; for_each_slave(priv, _cpsw_adjust_link, priv, &link); if (link) { netif_carrier_on(ndev); // 通知核心子系統網路，當前連結是OK的 if (netif_running(ndev)) netif_wake_queue(ndev); } else { netif_carrier_off(ndev); // 通知核心子系統網路，當前連結斷開了 netif_stop_queue(ndev); } }
static void _cpsw_adjust_link(struct cpsw_slave *slave,
struct cpsw_priv *priv, bool *link)
{
struct phy_device *phy = slave->phy;
u32 mac_control = 0;
u32 slave_port;
if (!phy)
return;
slave_port = cpsw_get_slave_port(priv, slave->slave_num);
if (phy->link) {
mac_control = priv->data.mac_control;
/* enable forwarding */
cpsw_ale_control_set(priv->ale, slave_port,
ALE_PORT_STATE, ALE_PORT_STATE_FORWARD);
if (phy->speed == 1000) // 千兆
mac_control |= BIT(7); /* GIGABITEN */
if (phy->duplex)
mac_control |= BIT(0); /* FULLDUPLEXEN */
/* set speed_in input in case RMII mode is used in 100Mbps */
if (phy->speed == 100) // 百兆
mac_control |= BIT(15);
else if (phy->speed == 10) // 十兆
mac_control |= BIT(18); /* In Band mode */
*link = true;
} else {
mac_control = 0;
/* disable forwarding */
cpsw_ale_control_set(priv->ale, slave_port,
ALE_PORT_STATE, ALE_PORT_STATE_DISABLE);
}
if (mac_control != slave->mac_control) {
phy_print_status(phy); // 當狀態不同時，需要寫暫存器時，才打印網路狀態
__raw_writel(mac_control, &slave->sliver->mac_control);
}
slave->mac_control = mac_control;
}它實際上寫mac_control暫存器，這個暫存器控制著速率(千兆、百兆、十兆)和雙工。之前不太理解，問了高手，才知道不單單要設定PHY暫存器，還要設定mac控制模組的暫存器。phy_print_status是phy驅動的通用函式，用以列印網路狀態(初步查了下，像Intel的網路驅動，不呼叫此函式，等有空再研究研究)。
void phy_print_status(struct phy_device *phydev)
{
if (phydev->link) {
netdev_info(phydev->attached_dev,
"Link is Up - %s/%s - flow control %s\n",
phy_speed_to_str(phydev->speed),
DUPLEX_FULL == phydev->duplex ? "Full" : "Half",
phydev->pause ? "rx/tx" : "off");
} else {
netdev_info(phydev->attached_dev, "Link is Down\n");
}
}其中的phy_speed_to_str函式是將網速轉化成字串，在核心的舊版本上是沒有的。
當網路連線時，會列印如下資訊：
PHY: 2:50 - Link is Up - 100Mbps/Full - flow control off
當網路斷開時，會列印：
PHY: 2:50 - Link is Down
PHY狀態機
先看看PHY有的狀態定義：
enum phy_state {
PHY_DOWN = 0, // PHY晶片和驅動沒準備好，一般情況下少發生
PHY_STARTING, // PHY晶片OK了，但驅動還沒有準備好
PHY_READY, // 準備好了，在probe中賦值，接下來會切到PHY_UP
PHY_PENDING,
PHY_UP, // phy啟動了，可以工作了，接下來會到PHY_AN
PHY_AN, // 自動協商
PHY_RUNNING, // 正在執行中，在網路連線(插上網線)時會到這個狀態
PHY_NOLINK, // 斷網了
PHY_FORCING, // 強制，當自動協商不使能時，就會進行此狀態(實際上會讀PHY暫存器進行設定速率、雙工，等)
PHY_CHANGELINK, // 變化，這個狀態很重要，當連線時，會換到PHY_RUNNING，當斷網時，會切到PHY_NOLINK
PHY_HALTED,
PHY_RESUMING
};phy狀態變化主要在phy_state_machine函式，該函式一直在執行(每隔一秒檢測一次網路狀態)，該函式判斷不同的網路狀態作出不同的動作。其中CHANGELINK是會根據網路連、斷來判斷是RUNNING還是NOLINK。這樣，就知道網路是連線上還是斷開。當連線上網路後(注：不斷開情況)，狀態為RUNNING時，之後重新賦值CHANGELINK，到了CHANGELINK又賦值RUNNING，這兩種狀態之間不斷切換。完整程式碼如下：
/**
* phy_state_machine - Handle the state machine
* @work: work_struct that describes the work to be done
*/
void phy_state_machine(struct work_struct *work)
{
struct delayed_work *dwork = to_delayed_work(work);
struct phy_device *phydev =
container_of(dwork, struct phy_device, state_queue);
bool needs_aneg = false, do_suspend = false, do_resume = false;
int err = 0;
mutex_lock(&phydev->lock);
if (phydev->drv->link_change_notify)
phydev->drv->link_change_notify(phydev);
switch (phydev->state) {
case PHY_DOWN:
case PHY_STARTING:
case PHY_READY:
case PHY_PENDING:
break;
case PHY_UP:
needs_aneg = true;
phydev->link_timeout = PHY_AN_TIMEOUT; // 超時，自動協商不成功時，則會在超時後強制設定速率等引數
break;
case PHY_AN:
err = phy_read_status(phydev); // 讀phy狀態，包括link，速率、雙工，等等
if (err < 0)
break;
/* If the link is down, give up on negotiation for now */
if (!phydev->link) {
phydev->state = PHY_NOLINK; // 沒有連線，則狀態變成PHY_NOLINK
netif_carrier_off(phydev->attached_dev); // 通知核心其它網路模組(phy是最底一層)斷網了。
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev); // 調整引數(速率、雙工)
break;
}
/* Check if negotiation is done. Break if there's an error */
err = phy_aneg_done(phydev); // 檢測是否完成自動協商
if (err < 0)
break;
/* If AN is done, we're running */
if (err > 0) {
phydev->state = PHY_RUNNING; // 完成後，變成PHY_RUNNING狀態
netif_carrier_on(phydev->attached_dev); // 發通知，連線OK
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev); // 列印、呼叫引數
} else if (0 == phydev->link_timeout--)
needs_aneg = true;
break;
case PHY_NOLINK:
err = phy_read_status(phydev); // 讀phy狀態，包括link，速率、雙工，等等
if (err)
break;
if (phydev->link) { // 在斷開網路再連線(即撥掉再插上網線)，就進入此語句
if (AUTONEG_ENABLE == phydev->autoneg) {
err = phy_aneg_done(phydev); // 如果是自動協商使能，就進行自動協商
if (err < 0)
break;
if (!err) {
phydev->state = PHY_AN;
phydev->link_timeout = PHY_AN_TIMEOUT;
break;
}
}
phydev->state = PHY_RUNNING; // 執行時。。。。。
netif_carrier_on(phydev->attached_dev);
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev);
}
break;
case PHY_FORCING:
err = genphy_update_link(phydev); // 先更新狀態
if (err)
break;
if (phydev->link) {
phydev->state = PHY_RUNNING; // 執行。。。
netif_carrier_on(phydev->attached_dev);
} else {
if (0 == phydev->link_timeout--)
needs_aneg = true;
}
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev);
break;
case PHY_RUNNING:
/* Only register a CHANGE if we are
* polling or ignoring interrupts
*/
if (!phy_interrupt_is_valid(phydev))
phydev->state = PHY_CHANGELINK; // 如果是RUNNING，則改變為CHANGELINK。
break;
case PHY_CHANGELINK:
err = phy_read_status(phydev); // 讀phy狀態，包括link，速率、雙工，等等
if (err)
break;
if (phydev->link) {
phydev->state = PHY_RUNNING; // 連線網路時，則變成RUNNING
netif_carrier_on(phydev->attached_dev);
} else {
phydev->state = PHY_NOLINK; // 不連網時，變成NOLINK
netif_carrier_off(phydev->attached_dev);
}
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev);
if (phy_interrupt_is_valid(phydev))
err = phy_config_interrupt(phydev,
PHY_INTERRUPT_ENABLED);
break;
case PHY_HALTED:
if (phydev->link) {
phydev->link = 0;
netif_carrier_off(phydev->attached_dev);
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev);
do_suspend = true;
}
break;
case PHY_RESUMING:
err = phy_clear_interrupt(phydev);
if (err)
break;
err = phy_config_interrupt(phydev, PHY_INTERRUPT_ENABLED);
if (err)
break;
if (AUTONEG_ENABLE == phydev->autoneg) {
err = phy_aneg_done(phydev);
if (err < 0)
break;
/* err > 0 if AN is done.
* Otherwise, it's 0, and we're still waiting for AN
*/
if (err > 0) {
err = phy_read_status(phydev);
if (err)
break;
if (phydev->link) {
phydev->state = PHY_RUNNING;
netif_carrier_on(phydev->attached_dev);
} else {
phydev->state = PHY_NOLINK;
}
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev);
} else {
phydev->state = PHY_AN;
phydev->link_timeout = PHY_AN_TIMEOUT;
}
} else {
err = phy_read_status(phydev); // 讀phy狀態，包括link，速率、雙工，等等
if (err)
break;
if (phydev->link) {
phydev->state = PHY_RUNNING;
netif_carrier_on(phydev->attached_dev);
} else {
phydev->state = PHY_NOLINK;
}
phydev->adjust_link(phydev->attached_dev);
}
do_resume = true;
break;
}
mutex_unlock(&phydev->lock);
if (needs_aneg)
err = phy_start_aneg(phydev);
else if (do_suspend)
phy_suspend(phydev);
else if (do_resume)
phy_resume(phydev);
if (err < 0)
phy_error(phydev);
queue_delayed_work(system_power_efficient_wq, &phydev->state_queue,
PHY_STATE_TIME * HZ);
}
經過一大段的分析研究後，當網路發生變化時，就十分清晰了。
PHY狀態
上電時狀態變化：
PHY_READY -> PHY_UP -> PHY_AN -> PHY_RUNNING
撥出網線時狀態變化：
PHY_RUNNING ->PHY_NOLINK
插上網線時狀態變化：
PHY_NOLINK -> PHY_RUNNING
自動協商過程：
cpsw_ndo_open->cpsw_slave_open -> PHY_UP -> phy_start_aneg -> genphy_config_aneg -> genphy_config_advert -> genphy_restart_aneg -> PHY_AN -> PHY_NOLINK(串列埠列印Down) -> phy_aneg_done -> PHY_RUNNING(串列埠列印Up)
注：在AN後出現NOLINK狀態，我猜是因為自動協商需要時間，此時間大於1秒，然後執行到狀態機判斷成NOLINK，然後判斷是否完成自動協商，然後再到RUNNING狀態。
本文分析基於一定的實踐經驗，限於能力，箇中錯誤難免，將會擇機更正。
2015年4月6日，李遲，於清明假期