Linux Mii management/mdio子系统分析之五 PHY状态机分析及其与net_device的关联

????? 前面几章基本上完成了mdio模块驱动模型的分析，本篇文章主要讲述phy device的状态机以及phy device与net_device的关联。Phy device主要是对phy的抽象，而net_device主要是对mac的抽象，而mdio总线以及mii_bus主要用于对phy设备的控制（包括设置phy设备的工作模式、速率模式、是否为自适应、phy的link状态等），而net_device需要根据phy的工作模式、速率模式、phy的link状态进行状态的同步，因此需要将net_device与phy device进行绑定与解绑。本章主要分为两个方面：

一、phy_device与net_device的绑定与解绑

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二、phy device的状态机

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一、phy_device与net_device的绑定与解绑操作。

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什么时候实现phy_device与net_device的绑定与解绑操作？

我们从现有各厂家的net_device驱动可以看到，大致存在两种模式：

1. 在net_device的probe接口中，根据传递的mdio_bus_id、phy_id，查找phy_device并完成net_device与phy_device的关联；在net_device的remove接口中，完成net_device与phy_device的解绑操作；
2. 在net_device->netdev_ops->ndo_open接口中，据传递的mdio_bus_id、phy_id，查找phy_device并完成net_device与phy_device的关联；在nnet_device->netdev_ops->ndo_stop中，完成net_device与phy_device的解绑操作（即应用层执行ifconfig xxx up/down操作时调用ndo_open/ndo_stop）。

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关于phy_device与net_device的绑定与解绑主要涉及如下几个函数phy_connect、phy_disconnect

下面我们分析下这两个接口的主要工呢

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phy_connect分析

该接口主要用来进行一个net_device类型的变量与phy_device类型的变量的关联、设置phy_device的状态为PHY_READY，并启动phy_device的状态机，详细处理流程如下图所示

1. 确认phy_device是否存在（根据传递的phy_device_id，在mdio_bus_type中查找phy_deviec）；
2. 若phy_device存在，则进行net_device与phy_device的相互关联（phy_device->attached_dev、net_device->phydev），并调用phy_driver->config_init完成对phy device的初始化；
3. 启动phy_device的状态机对应的延迟队列。

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phy_disconnect分析

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phy_disconnect的操作刚好与phy_connect接口的操作相反，主要提供的功能如下：

1. 若phy_device支持中断，则调用phy_stop_interrupts关闭中断，并free该中断；
2. 调用phy_stop_machine接口，关闭该phy_device的状态机对应的延迟队列；
3. 解除net_device与phy_device关联，若该phy_device是与genphy_driver绑定，则调用device_release_driver解除它们之间的绑定关系。

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phy_device irq相关说明

? ? ?在上面的介绍中，我们提到了phy_device的中断，针对phy_device的中断而言，当两个phy之间的link up/down的变化后（两个phy完成速率协商或者连接断开时），则会触发该中断，从而触发phy_device的状态机的转变（状态转换至PHY_RUNNING/PHY_NOLINK）。

? ? ? ?那若phy_device不支持中断模式呢？那就使用PHY_POLL模式，在该模式下则当phy_device处于PHY_RUNNING状态时，则将phy_device状态自动切换至PHY_CHANGELINK状态，而在PHY_CHANGELINK状态下通过对phy_device的状态寄存器，确定phy_device处于link up/down状态。这类似于之前介绍的MMC部分的mmc card的在位检测模式（若支持中断则通过中断方式通知mmc card的在位与否；若不支持中断，则进行周期1s的延迟队列的调度进行轮询检测）。但与mmc模块不同的是，针对phy_device的状态机对应的延迟队列而言，不管其phy_device是否支持link up/down中断，其状态机对应延迟队列均为周期1s执行（不支持中断则由phy_device的状态机自动切换phy的状态进行检测，支持中断则由中断处理函数中进行状态的切换）。

如下即为执行完phy_connect操作后，针对支持phy_device中断处理接口（phy_interrupt）以及其底半部处理接口（phy_change）与phy_state_machine之间的关联。

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phy device的状态机

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? ? ? ? ?在调用phy_connect完成net_device与phy_device的关联后，则启动phy_device的状态机流转对应的延迟队列调度接口，进行phy_device的状态流转操作。如下图为phy_device的状态流程图，下面详细说明下各状态的流转说明：

1. 当调用phy_device_create创建一个phy_device或者调用phy_remove移除phy_device时，即将phy_device的状态设置为PHY_DOWN；
2. PHY_START状态，目前在linux3.10的内核中，没有将phy_device的状态切换至PHY_START步骤，因此先跳过；
3. 当调用phy_connect完成phy_device与net_device的绑定后，即将phy_device的状态设置为PHY_READY状态；或者在phy_device_register、phy_driver_register时完成phy_device与phy_driver的绑定后，也会将其状态设置为PHY_READY。
4. 当系统调用phy_start接口，且其状态为PHY_READY时，则将其状态流转至PHY_UP状态（一般在net_device->net_ops->ndo_start中，完成phy_connect调用后，则调用phy_start将phy状态流转至PHY_UP）；
5. 在PHY_UP状态时，若该phy_device设置了自适应，则自动将其状态流转至PHY_AN；若该PHY_DEVICE设置为FORCE状态，则自动将其状态流转至PHY_FORCING；
6. 在PHY_AN状态下，根据读取的phy_device的状态寄存器，若linkup，则将其状态流转至PHY_RUNNING；否则将其状态流转至PHY_NOLINK；
7. 在PHY_NOLINK状态下，根据读取的phy_device的状态寄存器，若linkup，则将其状态流转至PHY_RUNNING；
8. 在PHY_FORCING状态下，若读取phy_device的状态寄存器，为linkup，则将其状态流转至PHY_RUNNING；
9. PHY_RUNNING状态下，若phy_device不支持中断，则将其状态设置为PHY_CHANGELINK，进行phy_device linkup状态的轮询检测；
10. 在PHY_CHANGELINK状态下，根据读取的phy_device的状态寄存器，若linkup，则将其状态流转至PHY_RUNNING；否则则将其状态设置为PHY_NOLINK；
11. 当各驱动模块调用phy_stop接口后，则phy_device的状态跳转至PHY_HALTED状态（无条件跳转，一般在net_device->netdev_ops->ndo_stop中会调用phy_stop）；
12. 仅在phy_device处于PHY_HALTED状态时，方才会流转至该PHY_RESUMING状态，该状态可跳转至PHY_AN、PHY_NOLINK、PHY_RUNNING。

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以上即为phy_device的状态，当phy_device处于PHY_RUNNING状态时（此时调用netif_carrier_on设置net_device状态），说明两端的phy协商成功，可进行数据通信。以上phy_device的状态流转由接口phy_state_machine实现，该接口的流程图如下：

主要说明如下：

1. 当phy_device处于PHY_UP状态时，则phy_device状态机处理接口，设置needs_aneg为1，调用phy_start_ange接口，进入PHY_AN状态或PHY_FORCING状态，进行phy_device的状态的协商；
2. 在PHY_AN状态时，则phy_state_machine判断是否需要将状态跳转至PHY_RUNNING或PHY_NOLINK；
3. 在PHY_RUNNING状态时，若phy_device不支持中断，则将其状态跳转至PHY_CHANNGELINK状态，由phy_state_machine接口来轮询判断phy_device的状态是否跳转至PHY_RUNNING/PHY_NOLINK;

而像PHY_DOWN、PHY_START、PHY_READY、PHY_UP、PHY_HALTED、

PHY_RESUMING这几个状态，一般由外部模块调用相应的接口进行跳转，而非phy_state_machine自动流转。
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针对net_device也有相应的状态定义，如下图所示主要涉及如下几个状态

enum netdev_state_t {undefined

__LINK_STATE_START,

__LINK_STATE_PRESENT,

__LINK_STATE_NOCARRIER,

__LINK_STATE_LINKWATCH_PENDING,

__LINK_STATE_DORMANT,

};

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1. 当net_device注册至系统时，即设置__LINK_STATE_PRESENT；
2. 当执行ifconfig xxx up，启用一个net_device时，则将其状态设置为__LINK_STATE_START（记住此时并不代表phy已完成协商且处于linkup状态）,并在调用net_device->netdev_ops->ndo_open时，设置__LINK_STATE_NOCARRIER；
3. 当调用phy_connect完成phy_device与net_device的绑定以及启动phy_device的状态机后，且phy_device跳转至PHY_RUNNING的同时，清除__LINK_STATE_NOCARRIER位，此时方才表明可进行数据通信。

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? ? ? 以上即是本次的主要内容，主要涉及phy_device与net_device之间的关联建立以及phy_device的状态机流转相关的内容。当phy_device处于PHY_RUNNING状态时，则将net_device的状态设置为carrier_on，即可进行mac层及mac层以上的数据通信工作。