刘文元
（中国电科网络通信研究院，河北 石家庄 050011）
0 引 言随着物联网时代的到来，嵌入式系统的以太网设备需求量与日俱增，而负责以太网数据编码和传输的物理层收发器的需求量也随之增长。在加快集成电路产业自主可控步伐的趋势下，PHY 芯片的研发工作正如火如荼地进行。
芯片的测试工作，是芯片在流片完成之后，交付给客户之前的重要一环，旨在验证芯片的硬件功能，为终端用户提供驱动程序的代码原型。在产业实践中，对于PHY 的UVM验证工作虽有文献可参考，但对于PHY 芯片的板级测试问题，尚无统一的标准，需要开发者自己按照PHY 的数据手册编写驱动。若没有PHY 芯片厂商提供直接的技术支持，调试过程就会面临苦难。
考虑到用户可能会面临的PHY 调试问题，基于一款自主研发的GPHY（Gigabit Physical Layer Transceiver）的功能验证工作，本文首先介绍了GPHY 测试系统的架构，也即GPHY 的典型使用场景；然后着重论述了测试程序的设计，提出了将数据分阶段loopback 的测试方法；最后展示了测试过程中的系统日志和基于LwIP 的网络实验结果。希望能为同行的以太网PHY 功能测试和应用开发提供参考经验。
1 测试系统架构以太网是遵守IEEE 802.3 标准的局域网，TCP/IP 参考模型中的物理层（PHY）一般由专用的数模混合集成电路来实现，即PHY 芯片，而与之直接交互的就是数据链路层中的介质访问控制子层（MAC），因此PHY 芯片的功能验证离不开MAC 的支持。
为了验证GPHY 的功能，本文选取了一种基于Cortex-M4 内核的32 位微控制器（MCU），它的APB 总线上挂载的以太网外设模块支持千兆速率MAC（GMAC）的功能。以太网外设模块中还集成了站管理接口（SMI），专门用于和外部PHY 之间的通信，以访问PHY 芯片的寄存器。MCU 与GPHY 通过标准的千兆介质独立接口（GMII）来连接，GMII 提供了时钟和数据的传输途径。
为便于在线调试和单步跟踪，选择了使用非常广泛的Keil-5 作为测试程序的开发环境，该环境自带了交叉编译工具，方便用户移植本测试程序到特定的应用场景。程序的在线调试与跟踪依赖调试器CMSIS-DAP Debugger，它通过Jtag 接口与MCU 相连接，通过USB 接口与PC 相连接。此外，MCU 的UART 通过RS232 与PC 的串口相连接，在PC端开启串口调试助手，可以查看包括了程序运行状态、PHY寄存器状态和测试信息的系统日志。PC 机上的网线通过水晶头插在RJ-45 上，RJ-45 与PHY 芯片之间有一个负责电压变换的器件H5007，二者之间的引线MDI+/-上传输的是差分信号。GPHY 测试系统的架构图，如图1所示。
图1 GPHY 测试系统架构图
2 测试程序设计为了方便逐级厘清PHY 测试中的问题，本文根据以太网数据信号的流经途径，设计了两种类型的环回测试，内部环回和外部环回分别如图2和图3所示。
图2 GPHY 内部环回结构图
图3 GPHY 外部环回结构图
PHY 内部环回用以检查PHY 内部数据流是否正常。期望的正常情况是 RXD[7：0]上的信号与TXD[7：0]上的信号相同，只是存在一段短暂时间上的滞后。在测试程序内部，逻辑应这样设计：数据发送后，比较接收数据缓冲区与发送数据缓冲区之间的数据差异，即可判断该项测试是否通过。若数据相同，则符合预期，测试通过；否则，测试未通过，这时系统会通过串口打印出数据差异的所在位置和错误提示信息。在PC 机上，开发人员根据这些日志，便可迅速定位问题。
在进行外部环回测试前，需要在RJ-45 上插入一个特制的水晶头。该水晶头的差分信号线要按照图3所示，把对应的差分信号线进行互连，水晶头插入RJ-45 后，就实现外部环回测试所需的信号连接。外部环回与内部环回的测试程序是一致的，差异点仅在于：外部环回模式要把GPHY 的0地址寄存器中的bit14 清零，以解除内部环回模式。
环回测试的流程如图4所示，其主要完成了如下6 项内容。
图4 环回测试流程图
（1）设定系统时钟，给APB 总线上的ETH 模块提供125 MHz 的PLLCLK。
（2）UART 初始化，将UART 速率配置为“115 200 bps，8 bit，无校验位”格式。通过重定义标准库中的fputc实现对printf 函数的重定向，从而在日志中使用printf 格式化运行过程中变量，如寄存器的值、错误类型等，重定向的实现代码如下所示：
在调试阶段，我们期望尽可能详细地观察程序运行过程中的状态，而调试完成后，只想看关键的运行结果，忽略调试阶段加入的日志。为了实现这一目的，通过如下所示的宏函数来输出系统日志，便可动态地调整的日志等级。例如，当调试完毕后，进行循环的压力测试时，可以把宏函数LOG()中的“level＞=DBG”修改为，“level＞=INFO”，那么调试阶段所加入的DBG 等级的日志便不会输出。
（3）为了测试不同速率(10M-Base/100M-Base/1000MBase)、双工/ 半双工(Full/Half Duplex)、环回/ 非环回(Loopback/Non-Loopback)、是否自协商 (Auto-Negotiation)等模式的组合情况，我们设计了统一的多参数函数，来对PHY 寄存器的设定内容进行封装，函数声明如下所示：
int PHY_TEST(int rate, bool duplex, bool loopback, bool Auto-Neg);
PHY 寄存器的读写依赖SMI 接口，我们封装了读写操作的API，其声明如下：
unsigned short SMI_Read(unsigned short Address)；
void SMI_Write(unsigned short Address, unsigned short Data)；
因为IEEE802.3 规定的PHY 寄存器的地址和数据宽度都是16 比特，故采用unsigned short（无符号半字）类型作为形参和返回值的类型。SMI_Read()用于查询PHY 的状态标志位，如Link 状态、速度模式、自动交叉线等。SMI_Write()用于把PHY_TEST()传入的形参写入到PHY 的寄存器对应的比特位。
（4）在设定以太网发送数据包时，我们把源地址和目标地址固定下来，数据段长度设定为最大1 500，类型为ARP 数据包，除了地址和包长度之外，其他数据使用rand()生成的伪随机数来填充，这样随机化的数据让测试更接近真实使用PHY 时的情况。
（5）为实现对ETH_DMA 接收和发送描述符的设定，编写了如下的API：
void ETH_DMA_Desc(void *TxBuf, int TxSize, void*RxBuf, int RxSize);
ETH 发送数据时，ETH_DMA 从地址TxBuf 处搬移数据到GMII_TXD[7:0];ETH 接收数据时，ETH_DMA 从GMII_RXD[7:0]搬移数据到RxBuf。
（6）查询ETH_MAC 的接收标志位，若没有置位则循环查询，当循环的累积的次数超过了设定的上限，说明没有接收到数据，使用如下语句输出错误日志：
LOG(ERR,“ Receive polling timeout”);
若查询到ETH_MAC 的接收标志置为1 时，表示接收到了有效数据，并且接收已完成，这时通过对比接收到的数据包内容与发送时的数据包内容，如相同，则表明PHY 功能正常；如不同，则用如下语句输出错误日志：
LOG(ERR, “Index:%u, Expect: %u，Real:%u”, i,TxBuf[i], RxBuf[i]);
为了检验GPHY 稳定性，在main 函数内，循环调用PHY_TEST()，内部环回和外部环回测试若都能通过，即可证明GPHY 功能正常。GPHY 的功能有保障后，再移植TCP/IP 协议栈LwIP，不需要操作系统，即可实现ping 命令测试、TCP-Server 等功能。
3 测试结果内部环回和外部环回的测试结果如图5、图6所示，图中展示的是压力测试过程中的系统日志，cnt 表示测试的计数，每循环调用一次PHY_TEST()；[result]后的内容表示测试的结果，fail 或pass。
图5 内部环回测试结果
图6 外部环回测试结果
环回测试完成后，确保了PHY 可工作正常，通过LwIP协议栈，可以实现MCU 作为TCP Server，在window 的命令行中，用ping 来测试PC 机与MCU 之间的网络通路，实验结果如图7所示。
图7 ping 测试结果
同时借助网络调试助手，在PC 机上通过TCP Client 协议，连接上作为TCP Server 的MCU，我们在MCU 的应用程序里设计Server 将收到的数据，再发送回给client，实验结果如图8所示。
图8 TCP-Server 测试结果
4 结 论本文介绍了千兆以太网物理层收发器测试系统的架构，提出了根据数据流分阶段对GPHY 进行环回测试的方法，阐述了环回测试程序的设计和实现，其中设计的可分级调整的日志系统与统一的测试函数接口，方便了多轮循环压力测试。最后，展示的两种环回测试的日志和基于LwIP 的ping与TCP-Server 测试结果，表明本文提出的测试方法科学有效，有利于快速定位问题，代码易于复用，同时可以为其他PHY 测试工作提供参考。
