GNU Linux-libre 4.14.266-gnu1
[releases.git] / Documentation / networking / phy.txt
1
2 -------
3 PHY Abstraction Layer
4 (Updated 2008-04-08)
5
6 Purpose
7
8  Most network devices consist of set of registers which provide an interface
9  to a MAC layer, which communicates with the physical connection through a
10  PHY.  The PHY concerns itself with negotiating link parameters with the link
11  partner on the other side of the network connection (typically, an ethernet
12  cable), and provides a register interface to allow drivers to determine what
13  settings were chosen, and to configure what settings are allowed.
14
15  While these devices are distinct from the network devices, and conform to a
16  standard layout for the registers, it has been common practice to integrate
17  the PHY management code with the network driver.  This has resulted in large
18  amounts of redundant code.  Also, on embedded systems with multiple (and
19  sometimes quite different) ethernet controllers connected to the same 
20  management bus, it is difficult to ensure safe use of the bus.
21
22  Since the PHYs are devices, and the management busses through which they are
23  accessed are, in fact, busses, the PHY Abstraction Layer treats them as such.
24  In doing so, it has these goals:
25
26    1) Increase code-reuse
27    2) Increase overall code-maintainability
28    3) Speed development time for new network drivers, and for new systems
29  
30  Basically, this layer is meant to provide an interface to PHY devices which
31  allows network driver writers to write as little code as possible, while
32  still providing a full feature set.
33
34 The MDIO bus
35
36  Most network devices are connected to a PHY by means of a management bus.
37  Different devices use different busses (though some share common interfaces).
38  In order to take advantage of the PAL, each bus interface needs to be
39  registered as a distinct device.
40
41  1) read and write functions must be implemented.  Their prototypes are:
42
43      int write(struct mii_bus *bus, int mii_id, int regnum, u16 value);
44      int read(struct mii_bus *bus, int mii_id, int regnum);
45
46    mii_id is the address on the bus for the PHY, and regnum is the register
47    number.  These functions are guaranteed not to be called from interrupt
48    time, so it is safe for them to block, waiting for an interrupt to signal
49    the operation is complete
50  
51  2) A reset function is optional.  This is used to return the bus to an
52    initialized state.
53
54  3) A probe function is needed.  This function should set up anything the bus
55    driver needs, setup the mii_bus structure, and register with the PAL using
56    mdiobus_register.  Similarly, there's a remove function to undo all of
57    that (use mdiobus_unregister).
58  
59  4) Like any driver, the device_driver structure must be configured, and init
60    exit functions are used to register the driver.
61
62  5) The bus must also be declared somewhere as a device, and registered.
63
64  As an example for how one driver implemented an mdio bus driver, see
65  drivers/net/ethernet/freescale/fsl_pq_mdio.c and an associated DTS file
66  for one of the users. (e.g. "git grep fsl,.*-mdio arch/powerpc/boot/dts/")
67
68 (RG)MII/electrical interface considerations
69
70  The Reduced Gigabit Medium Independent Interface (RGMII) is a 12-pin
71  electrical signal interface using a synchronous 125Mhz clock signal and several
72  data lines. Due to this design decision, a 1.5ns to 2ns delay must be added
73  between the clock line (RXC or TXC) and the data lines to let the PHY (clock
74  sink) have enough setup and hold times to sample the data lines correctly. The
75  PHY library offers different types of PHY_INTERFACE_MODE_RGMII* values to let
76  the PHY driver and optionally the MAC driver, implement the required delay. The
77  values of phy_interface_t must be understood from the perspective of the PHY
78  device itself, leading to the following:
79
80  * PHY_INTERFACE_MODE_RGMII: the PHY is not responsible for inserting any
81    internal delay by itself, it assumes that either the Ethernet MAC (if capable
82    or the PCB traces) insert the correct 1.5-2ns delay
83
84  * PHY_INTERFACE_MODE_RGMII_TXID: the PHY should insert an internal delay
85    for the transmit data lines (TXD[3:0]) processed by the PHY device
86
87  * PHY_INTERFACE_MODE_RGMII_RXID: the PHY should insert an internal delay
88    for the receive data lines (RXD[3:0]) processed by the PHY device
89
90  * PHY_INTERFACE_MODE_RGMII_ID: the PHY should insert internal delays for
91    both transmit AND receive data lines from/to the PHY device
92
93  Whenever possible, use the PHY side RGMII delay for these reasons:
94
95  * PHY devices may offer sub-nanosecond granularity in how they allow a
96    receiver/transmitter side delay (e.g: 0.5, 1.0, 1.5ns) to be specified. Such
97    precision may be required to account for differences in PCB trace lengths
98
99  * PHY devices are typically qualified for a large range of applications
100    (industrial, medical, automotive...), and they provide a constant and
101    reliable delay across temperature/pressure/voltage ranges
102
103  * PHY device drivers in PHYLIB being reusable by nature, being able to
104    configure correctly a specified delay enables more designs with similar delay
105    requirements to be operate correctly
106
107  For cases where the PHY is not capable of providing this delay, but the
108  Ethernet MAC driver is capable of doing so, the correct phy_interface_t value
109  should be PHY_INTERFACE_MODE_RGMII, and the Ethernet MAC driver should be
110  configured correctly in order to provide the required transmit and/or receive
111  side delay from the perspective of the PHY device. Conversely, if the Ethernet
112  MAC driver looks at the phy_interface_t value, for any other mode but
113  PHY_INTERFACE_MODE_RGMII, it should make sure that the MAC-level delays are
114  disabled.
115
116  In case neither the Ethernet MAC, nor the PHY are capable of providing the
117  required delays, as defined per the RGMII standard, several options may be
118  available:
119
120  * Some SoCs may offer a pin pad/mux/controller capable of configuring a given
121    set of pins'strength, delays, and voltage; and it may be a suitable
122    option to insert the expected 2ns RGMII delay.
123
124  * Modifying the PCB design to include a fixed delay (e.g: using a specifically
125    designed serpentine), which may not require software configuration at all.
126
127 Common problems with RGMII delay mismatch
128
129  When there is a RGMII delay mismatch between the Ethernet MAC and the PHY, this
130  will most likely result in the clock and data line signals to be unstable when
131  the PHY or MAC take a snapshot of these signals to translate them into logical
132  1 or 0 states and reconstruct the data being transmitted/received. Typical
133  symptoms include:
134
135  * Transmission/reception partially works, and there is frequent or occasional
136    packet loss observed
137
138  * Ethernet MAC may report some or all packets ingressing with a FCS/CRC error,
139    or just discard them all
140
141  * Switching to lower speeds such as 10/100Mbits/sec makes the problem go away
142    (since there is enough setup/hold time in that case)
143
144
145 Connecting to a PHY
146
147  Sometime during startup, the network driver needs to establish a connection
148  between the PHY device, and the network device.  At this time, the PHY's bus
149  and drivers need to all have been loaded, so it is ready for the connection.
150  At this point, there are several ways to connect to the PHY:
151
152  1) The PAL handles everything, and only calls the network driver when
153    the link state changes, so it can react.
154
155  2) The PAL handles everything except interrupts (usually because the
156    controller has the interrupt registers).
157
158  3) The PAL handles everything, but checks in with the driver every second,
159    allowing the network driver to react first to any changes before the PAL
160    does.
161  
162  4) The PAL serves only as a library of functions, with the network device
163    manually calling functions to update status, and configure the PHY
164
165
166 Letting the PHY Abstraction Layer do Everything
167
168  If you choose option 1 (The hope is that every driver can, but to still be
169  useful to drivers that can't), connecting to the PHY is simple:
170
171  First, you need a function to react to changes in the link state.  This
172  function follows this protocol:
173
174    static void adjust_link(struct net_device *dev);
175  
176  Next, you need to know the device name of the PHY connected to this device. 
177  The name will look something like, "0:00", where the first number is the
178  bus id, and the second is the PHY's address on that bus.  Typically,
179  the bus is responsible for making its ID unique.
180  
181  Now, to connect, just call this function:
182  
183    phydev = phy_connect(dev, phy_name, &adjust_link, interface);
184
185  phydev is a pointer to the phy_device structure which represents the PHY.  If
186  phy_connect is successful, it will return the pointer.  dev, here, is the
187  pointer to your net_device.  Once done, this function will have started the
188  PHY's software state machine, and registered for the PHY's interrupt, if it
189  has one.  The phydev structure will be populated with information about the
190  current state, though the PHY will not yet be truly operational at this
191  point.
192
193  PHY-specific flags should be set in phydev->dev_flags prior to the call
194  to phy_connect() such that the underlying PHY driver can check for flags
195  and perform specific operations based on them.
196  This is useful if the system has put hardware restrictions on
197  the PHY/controller, of which the PHY needs to be aware.
198
199  interface is a u32 which specifies the connection type used
200  between the controller and the PHY.  Examples are GMII, MII,
201  RGMII, and SGMII.  For a full list, see include/linux/phy.h
202
203  Now just make sure that phydev->supported and phydev->advertising have any
204  values pruned from them which don't make sense for your controller (a 10/100
205  controller may be connected to a gigabit capable PHY, so you would need to
206  mask off SUPPORTED_1000baseT*).  See include/linux/ethtool.h for definitions
207  for these bitfields. Note that you should not SET any bits, except the
208  SUPPORTED_Pause and SUPPORTED_AsymPause bits (see below), or the PHY may get
209  put into an unsupported state.
210
211  Lastly, once the controller is ready to handle network traffic, you call
212  phy_start(phydev).  This tells the PAL that you are ready, and configures the
213  PHY to connect to the network.  If you want to handle your own interrupts,
214  just set phydev->irq to PHY_IGNORE_INTERRUPT before you call phy_start.
215  Similarly, if you don't want to use interrupts, set phydev->irq to PHY_POLL.
216
217  When you want to disconnect from the network (even if just briefly), you call
218  phy_stop(phydev).
219
220 Pause frames / flow control
221
222  The PHY does not participate directly in flow control/pause frames except by
223  making sure that the SUPPORTED_Pause and SUPPORTED_AsymPause bits are set in
224  MII_ADVERTISE to indicate towards the link partner that the Ethernet MAC
225  controller supports such a thing. Since flow control/pause frames generation
226  involves the Ethernet MAC driver, it is recommended that this driver takes care
227  of properly indicating advertisement and support for such features by setting
228  the SUPPORTED_Pause and SUPPORTED_AsymPause bits accordingly. This can be done
229  either before or after phy_connect() and/or as a result of implementing the
230  ethtool::set_pauseparam feature.
231
232
233 Keeping Close Tabs on the PAL
234
235  It is possible that the PAL's built-in state machine needs a little help to
236  keep your network device and the PHY properly in sync.  If so, you can
237  register a helper function when connecting to the PHY, which will be called
238  every second before the state machine reacts to any changes.  To do this, you
239  need to manually call phy_attach() and phy_prepare_link(), and then call
240  phy_start_machine() with the second argument set to point to your special
241  handler.
242
243  Currently there are no examples of how to use this functionality, and testing
244  on it has been limited because the author does not have any drivers which use
245  it (they all use option 1).  So Caveat Emptor.
246
247 Doing it all yourself
248
249  There's a remote chance that the PAL's built-in state machine cannot track
250  the complex interactions between the PHY and your network device.  If this is
251  so, you can simply call phy_attach(), and not call phy_start_machine or
252  phy_prepare_link().  This will mean that phydev->state is entirely yours to
253  handle (phy_start and phy_stop toggle between some of the states, so you
254  might need to avoid them).
255
256  An effort has been made to make sure that useful functionality can be
257  accessed without the state-machine running, and most of these functions are
258  descended from functions which did not interact with a complex state-machine.
259  However, again, no effort has been made so far to test running without the
260  state machine, so tryer beware.
261
262  Here is a brief rundown of the functions:
263
264  int phy_read(struct phy_device *phydev, u16 regnum);
265  int phy_write(struct phy_device *phydev, u16 regnum, u16 val);
266
267    Simple read/write primitives.  They invoke the bus's read/write function
268    pointers.
269
270  void phy_print_status(struct phy_device *phydev);
271  
272    A convenience function to print out the PHY status neatly.
273
274  int phy_start_interrupts(struct phy_device *phydev);
275  int phy_stop_interrupts(struct phy_device *phydev);
276
277    Requests the IRQ for the PHY interrupts, then enables them for
278    start, or disables then frees them for stop.
279
280  struct phy_device * phy_attach(struct net_device *dev, const char *phy_id,
281                  phy_interface_t interface);
282
283    Attaches a network device to a particular PHY, binding the PHY to a generic
284    driver if none was found during bus initialization.
285
286  int phy_start_aneg(struct phy_device *phydev);
287    
288    Using variables inside the phydev structure, either configures advertising
289    and resets autonegotiation, or disables autonegotiation, and configures
290    forced settings.
291
292  static inline int phy_read_status(struct phy_device *phydev);
293
294    Fills the phydev structure with up-to-date information about the current
295    settings in the PHY.
296
297  int phy_ethtool_sset(struct phy_device *phydev, struct ethtool_cmd *cmd);
298
299    Ethtool convenience functions.
300
301  int phy_mii_ioctl(struct phy_device *phydev,
302                  struct mii_ioctl_data *mii_data, int cmd);
303
304    The MII ioctl.  Note that this function will completely screw up the state
305    machine if you write registers like BMCR, BMSR, ADVERTISE, etc.  Best to
306    use this only to write registers which are not standard, and don't set off
307    a renegotiation.
308
309
310 PHY Device Drivers
311
312  With the PHY Abstraction Layer, adding support for new PHYs is
313  quite easy.  In some cases, no work is required at all!  However,
314  many PHYs require a little hand-holding to get up-and-running.
315
316 Generic PHY driver
317
318  If the desired PHY doesn't have any errata, quirks, or special
319  features you want to support, then it may be best to not add
320  support, and let the PHY Abstraction Layer's Generic PHY Driver
321  do all of the work.  
322
323 Writing a PHY driver
324
325  If you do need to write a PHY driver, the first thing to do is
326  make sure it can be matched with an appropriate PHY device.
327  This is done during bus initialization by reading the device's
328  UID (stored in registers 2 and 3), then comparing it to each
329  driver's phy_id field by ANDing it with each driver's
330  phy_id_mask field.  Also, it needs a name.  Here's an example:
331
332    static struct phy_driver dm9161_driver = {
333          .phy_id         = 0x0181b880,
334          .name           = "Davicom DM9161E",
335          .phy_id_mask    = 0x0ffffff0,
336          ...
337    }
338
339  Next, you need to specify what features (speed, duplex, autoneg,
340  etc) your PHY device and driver support.  Most PHYs support
341  PHY_BASIC_FEATURES, but you can look in include/mii.h for other
342  features.
343
344  Each driver consists of a number of function pointers, documented
345  in include/linux/phy.h under the phy_driver structure.
346
347  Of these, only config_aneg and read_status are required to be
348  assigned by the driver code.  The rest are optional.  Also, it is
349  preferred to use the generic phy driver's versions of these two
350  functions if at all possible: genphy_read_status and
351  genphy_config_aneg.  If this is not possible, it is likely that
352  you only need to perform some actions before and after invoking
353  these functions, and so your functions will wrap the generic
354  ones.
355
356  Feel free to look at the Marvell, Cicada, and Davicom drivers in
357  drivers/net/phy/ for examples (the lxt and qsemi drivers have
358  not been tested as of this writing).
359
360  The PHY's MMD register accesses are handled by the PAL framework
361  by default, but can be overridden by a specific PHY driver if
362  required. This could be the case if a PHY was released for
363  manufacturing before the MMD PHY register definitions were
364  standardized by the IEEE. Most modern PHYs will be able to use
365  the generic PAL framework for accessing the PHY's MMD registers.
366  An example of such usage is for Energy Efficient Ethernet support,
367  implemented in the PAL. This support uses the PAL to access MMD
368  registers for EEE query and configuration if the PHY supports
369  the IEEE standard access mechanisms, or can use the PHY's specific
370  access interfaces if overridden by the specific PHY driver. See
371  the Micrel driver in drivers/net/phy/ for an example of how this
372  can be implemented.
373
374 Board Fixups
375
376  Sometimes the specific interaction between the platform and the PHY requires
377  special handling.  For instance, to change where the PHY's clock input is,
378  or to add a delay to account for latency issues in the data path.  In order
379  to support such contingencies, the PHY Layer allows platform code to register
380  fixups to be run when the PHY is brought up (or subsequently reset).
381
382  When the PHY Layer brings up a PHY it checks to see if there are any fixups
383  registered for it, matching based on UID (contained in the PHY device's phy_id
384  field) and the bus identifier (contained in phydev->dev.bus_id).  Both must
385  match, however two constants, PHY_ANY_ID and PHY_ANY_UID, are provided as
386  wildcards for the bus ID and UID, respectively.
387
388  When a match is found, the PHY layer will invoke the run function associated
389  with the fixup.  This function is passed a pointer to the phy_device of
390  interest.  It should therefore only operate on that PHY.
391
392  The platform code can either register the fixup using phy_register_fixup():
393
394         int phy_register_fixup(const char *phy_id,
395                 u32 phy_uid, u32 phy_uid_mask,
396                 int (*run)(struct phy_device *));
397
398  Or using one of the two stubs, phy_register_fixup_for_uid() and
399  phy_register_fixup_for_id():
400
401  int phy_register_fixup_for_uid(u32 phy_uid, u32 phy_uid_mask,
402                 int (*run)(struct phy_device *));
403  int phy_register_fixup_for_id(const char *phy_id,
404                 int (*run)(struct phy_device *));
405
406  The stubs set one of the two matching criteria, and set the other one to
407  match anything.
408
409  When phy_register_fixup() or *_for_uid()/*_for_id() is called at module,
410  unregister fixup and free allocate memory are required.
411
412  Call one of following function before unloading module.
413
414  int phy_unregister_fixup(const char *phy_id, u32 phy_uid, u32 phy_uid_mask);
415  int phy_unregister_fixup_for_uid(u32 phy_uid, u32 phy_uid_mask);
416  int phy_register_fixup_for_id(const char *phy_id);
417
418 Standards
419
420  IEEE Standard 802.3: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications, Section Two:
421  http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3-2008_section2.pdf
422
423  RGMII v1.3:
424  http://web.archive.org/web/20160303212629/http://www.hp.com/rnd/pdfs/RGMIIv1_3.pdf
425
426  RGMII v2.0:
427  http://web.archive.org/web/20160303171328/http://www.hp.com/rnd/pdfs/RGMIIv2_0_final_hp.pdf