Documentation/networking/phy.txt

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   3 PHY Abstraction Layer
   4 (Updated 2006-11-30)
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   6 Purpose
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   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
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  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.
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  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 necessary.  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/gianfar_mii.c and arch/ppc/syslib/mpc85xx_devices.c
  66
  67 Connecting to a PHY
  68
  69  Sometime during startup, the network driver needs to establish a connection
  70  between the PHY device, and the network device.  At this time, the PHY's bus
  71  and drivers need to all have been loaded, so it is ready for the connection.
  72  At this point, there are several ways to connect to the PHY:
  73
  74  1) The PAL handles everything, and only calls the network driver when
  75    the link state changes, so it can react.
  76
  77  2) The PAL handles everything except interrupts (usually because the
  78    controller has the interrupt registers).
  79
  80  3) The PAL handles everything, but checks in with the driver every second,
  81    allowing the network driver to react first to any changes before the PAL
  82    does.
  83
  84  4) The PAL serves only as a library of functions, with the network device
  85    manually calling functions to update status, and configure the PHY
  86
  87
  88 Letting the PHY Abstraction Layer do Everything
  89
  90  If you choose option 1 (The hope is that every driver can, but to still be
  91  useful to drivers that can't), connecting to the PHY is simple:
  92
  93  First, you need a function to react to changes in the link state.  This
  94  function follows this protocol:
  95
  96    static void adjust_link(struct net_device *dev);
  97
  98  Next, you need to know the device name of the PHY connected to this device.
  99  The name will look something like, "phy0:0", where the first number is the
 100  bus id, and the second is the PHY's address on that bus.  Typically,
 101  the bus is responsible for making its ID unique.
 102
 103  Now, to connect, just call this function:
 104
 105    phydev = phy_connect(dev, phy_name, &adjust_link, flags, interface);
 106
 107  phydev is a pointer to the phy_device structure which represents the PHY.  If
 108  phy_connect is successful, it will return the pointer.  dev, here, is the
 109  pointer to your net_device.  Once done, this function will have started the
 110  PHY's software state machine, and registered for the PHY's interrupt, if it
 111  has one.  The phydev structure will be populated with information about the
 112  current state, though the PHY will not yet be truly operational at this
 113  point.
 114
 115  flags is a u32 which can optionally contain phy-specific flags.
 116  This is useful if the system has put hardware restrictions on
 117  the PHY/controller, of which the PHY needs to be aware.
 118
 119  interface is a u32 which specifies the connection type used
 120  between the controller and the PHY.  Examples are GMII, MII,
 121  RGMII, and SGMII.  For a full list, see include/linux/phy.h
 122
 123  Now just make sure that phydev->supported and phydev->advertising have any
 124  values pruned from them which don't make sense for your controller (a 10/100
 125  controller may be connected to a gigabit capable PHY, so you would need to
 126  mask off SUPPORTED_1000baseT*).  See include/linux/ethtool.h for definitions
 127  for these bitfields. Note that you should not SET any bits, or the PHY may
 128  get put into an unsupported state.
 129
 130  Lastly, once the controller is ready to handle network traffic, you call
 131  phy_start(phydev).  This tells the PAL that you are ready, and configures the
 132  PHY to connect to the network.  If you want to handle your own interrupts,
 133  just set phydev->irq to PHY_IGNORE_INTERRUPT before you call phy_start.
 134  Similarly, if you don't want to use interrupts, set phydev->irq to PHY_POLL.
 135
 136  When you want to disconnect from the network (even if just briefly), you call
 137  phy_stop(phydev).
 138
 139 Keeping Close Tabs on the PAL
 140
 141  It is possible that the PAL's built-in state machine needs a little help to
 142  keep your network device and the PHY properly in sync.  If so, you can
 143  register a helper function when connecting to the PHY, which will be called
 144  every second before the state machine reacts to any changes.  To do this, you
 145  need to manually call phy_attach() and phy_prepare_link(), and then call
 146  phy_start_machine() with the second argument set to point to your special
 147  handler.
 148
 149  Currently there are no examples of how to use this functionality, and testing
 150  on it has been limited because the author does not have any drivers which use
 151  it (they all use option 1).  So Caveat Emptor.
 152
 153 Doing it all yourself
 154
 155  There's a remote chance that the PAL's built-in state machine cannot track
 156  the complex interactions between the PHY and your network device.  If this is
 157  so, you can simply call phy_attach(), and not call phy_start_machine or
 158  phy_prepare_link().  This will mean that phydev->state is entirely yours to
 159  handle (phy_start and phy_stop toggle between some of the states, so you
 160  might need to avoid them).
 161
 162  An effort has been made to make sure that useful functionality can be
 163  accessed without the state-machine running, and most of these functions are
 164  descended from functions which did not interact with a complex state-machine.
 165  However, again, no effort has been made so far to test running without the
 166  state machine, so tryer beware.
 167
 168  Here is a brief rundown of the functions:
 169
 170  int phy_read(struct phy_device *phydev, u16 regnum);
 171  int phy_write(struct phy_device *phydev, u16 regnum, u16 val);
 172
 173    Simple read/write primitives.  They invoke the bus's read/write function
 174    pointers.
 175
 176  void phy_print_status(struct phy_device *phydev);
 177
 178    A convenience function to print out the PHY status neatly.
 179
 180  int phy_clear_interrupt(struct phy_device *phydev);
 181  int phy_config_interrupt(struct phy_device *phydev, u32 interrupts);
 182
 183    Clear the PHY's interrupt, and configure which ones are allowed,
 184    respectively.  Currently only supports all on, or all off.
 185
 186  int phy_enable_interrupts(struct phy_device *phydev);
 187  int phy_disable_interrupts(struct phy_device *phydev);
 188
 189    Functions which enable/disable PHY interrupts, clearing them
 190    before and after, respectively.
 191
 192  int phy_start_interrupts(struct phy_device *phydev);
 193  int phy_stop_interrupts(struct phy_device *phydev);
 194
 195    Requests the IRQ for the PHY interrupts, then enables them for
 196    start, or disables then frees them for stop.
 197
 198  struct phy_device * phy_attach(struct net_device *dev, const char *phy_id,
 199                  u32 flags, phy_interface_t interface);
 200
 201    Attaches a network device to a particular PHY, binding the PHY to a generic
 202    driver if none was found during bus initialization.  Passes in
 203    any phy-specific flags as needed.
 204
 205  int phy_start_aneg(struct phy_device *phydev);
 206
 207    Using variables inside the phydev structure, either configures advertising
 208    and resets autonegotiation, or disables autonegotiation, and configures
 209    forced settings.
 210
 211  static inline int phy_read_status(struct phy_device *phydev);
 212
 213    Fills the phydev structure with up-to-date information about the current
 214    settings in the PHY.
 215
 216  void phy_sanitize_settings(struct phy_device *phydev)
 217
 218    Resolves differences between currently desired settings, and
 219    supported settings for the given PHY device.  Does not make
 220    the changes in the hardware, though.
 221
 222  int phy_ethtool_sset(struct phy_device *phydev, struct ethtool_cmd *cmd);
 223  int phy_ethtool_gset(struct phy_device *phydev, struct ethtool_cmd *cmd);
 224
 225    Ethtool convenience functions.
 226
 227  int phy_mii_ioctl(struct phy_device *phydev,
 228                  struct mii_ioctl_data *mii_data, int cmd);
 229
 230    The MII ioctl.  Note that this function will completely screw up the state
 231    machine if you write registers like BMCR, BMSR, ADVERTISE, etc.  Best to
 232    use this only to write registers which are not standard, and don't set off
 233    a renegotiation.
 234
 235
 236 PHY Device Drivers
 237
 238  With the PHY Abstraction Layer, adding support for new PHYs is
 239  quite easy.  In some cases, no work is required at all!  However,
 240  many PHYs require a little hand-holding to get up-and-running.
 241
 242 Generic PHY driver
 243
 244  If the desired PHY doesn't have any errata, quirks, or special
 245  features you want to support, then it may be best to not add
 246  support, and let the PHY Abstraction Layer's Generic PHY Driver
 247  do all of the work.
 248
 249 Writing a PHY driver
 250
 251  If you do need to write a PHY driver, the first thing to do is
 252  make sure it can be matched with an appropriate PHY device.
 253  This is done during bus initialization by reading the device's
 254  UID (stored in registers 2 and 3), then comparing it to each
 255  driver's phy_id field by ANDing it with each driver's
 256  phy_id_mask field.  Also, it needs a name.  Here's an example:
 257
 258    static struct phy_driver dm9161_driver = {
 259          .phy_id         = 0x0181b880,
 260          .name           = "Davicom DM9161E",
 261          .phy_id_mask    = 0x0ffffff0,
 262          ...
 263    }
 264
 265  Next, you need to specify what features (speed, duplex, autoneg,
 266  etc) your PHY device and driver support.  Most PHYs support
 267  PHY_BASIC_FEATURES, but you can look in include/mii.h for other
 268  features.
 269
 270  Each driver consists of a number of function pointers:
 271
 272    config_init: configures PHY into a sane state after a reset.
 273      For instance, a Davicom PHY requires descrambling disabled.
 274    probe: Does any setup needed by the driver
 275    suspend/resume: power management
 276    config_aneg: Changes the speed/duplex/negotiation settings
 277    read_status: Reads the current speed/duplex/negotiation settings
 278    ack_interrupt: Clear a pending interrupt
 279    config_intr: Enable or disable interrupts
 280    remove: Does any driver take-down
 281
 282  Of these, only config_aneg and read_status are required to be
 283  assigned by the driver code.  The rest are optional.  Also, it is
 284  preferred to use the generic phy driver's versions of these two
 285  functions if at all possible: genphy_read_status and
 286  genphy_config_aneg.  If this is not possible, it is likely that
 287  you only need to perform some actions before and after invoking
 288  these functions, and so your functions will wrap the generic
 289  ones.
 290
 291  Feel free to look at the Marvell, Cicada, and Davicom drivers in
 292  drivers/net/phy/ for examples (the lxt and qsemi drivers have
 293  not been tested as of this writing)