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Modern Embedded Recipes · 60/152

Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor

· Hawk · 5분 읽기

#한 줄 요약

“MAC은 MCU 안, PHY는 외부 chip.” RMII로 둘이 연결되고 MDIO로 link 협상. 위에 lwIP 한 줄.

#어떤 상황에서 쓰나

산업 IoT gateway, building automation, IP camera, smart meter, industrial PLC — 유선 Ethernet이 필요한 모든 곳. WiFi는 무선이지만 전력latency에 약해 산업·인프라는 유선 Ethernet이 표준.

이 글은 STM32F4/F7 + LAN8742 PHY + lwIP로 raw API HTTP server를 구현합니다.

#핵심 개념

#MAC vs PHY

인터페이스역할
MCU 내부 (ETH MAC)RMII data → PHYframe TX/RX, DMA
MCU ↔ PHY (LAN8742 등)MDIO / MDClink status, speed 협상
External PHYRJ45 + transformer물리 신호, encoding
RJ45 → 네트워크UTP cableCat5e/Cat6
  • MAC (Media Access Controller): MCU 내부. frame parsing, DMA, IP/TCP는 한 단계 위.
  • PHY (Physical layer): 외부 chip. transformer + RJ45와 직접 연결, voltage level, encoding 처리.

#RMII (Reduced MII)

7개 wire:

REF_CLK ←── 50 MHz reference (oscillator 또는 MCO)
CRS_DV ←── carrier sense / data valid
RXD[1:0] ←── 2-bit RX data
TXEN ──→ TX enable
TXD[1:0] ──→ 2-bit TX data

50 MHz × 2-bit = 100 Mbps. 100Base-TX (Fast Ethernet) standard.

#MDIO (Management Data Interface)

PHY의 register set에 접근하는 2-wire interface (MDC=clock, MDIO=data).

주요 PHY register (IEEE 802.3 표준):

  • Reg 0 BMCR — basic mode control (auto-neg, speed, duplex)
  • Reg 1 BMSR — basic mode status (link up?, capability)
  • Reg 2-3 PHYID — chip identification
  • Reg 4-5 ANAR/ANLPAR — auto-neg advertisement / partner

이 register들을 MDIO로 read/write해 link speed·duplex 협상.

#lwIP 옵션

Layer사용처
Raw API (callback)단일 thread, IRQ 환경에 적합
Sequential API (netconn)RTOS task 환경
Socket APIBSD-style, RTOS 필요
netif하드웨어 driver 추상

이 글은 raw API로 작성. RTOS 없는 단순한 환경.

#코드 예제

#1. PHY init (LAN8742 via MDIO)

#define PHY_ADDR 0x00
static uint16_t mdio_read(uint8_t reg) {
ETH->MACMIIAR = (PHY_ADDR << 11) | (reg << 6) | ETH_MACMIIAR_MB | (4 << 2);
while (ETH->MACMIIAR & ETH_MACMIIAR_MB);
return ETH->MACMIIDR;
}
static void mdio_write(uint8_t reg, uint16_t val) {
ETH->MACMIIDR = val;
ETH->MACMIIAR = (PHY_ADDR << 11) | (reg << 6) | ETH_MACMIIAR_MW | ETH_MACMIIAR_MB | (4 << 2);
while (ETH->MACMIIAR & ETH_MACMIIAR_MB);
}
void phy_init(void) {
mdio_write(0, 0x8000); // reset
while (mdio_read(0) & 0x8000);
mdio_write(0, 0x1200); // auto-neg + restart
// wait link up
while (!(mdio_read(1) & 0x0004)); // BMSR.LINK
}
int phy_get_speed_duplex(int *speed_mbps, int *full_duplex) {
uint16_t scsr = mdio_read(31); // PHYSCSR
int code = (scsr >> 2) & 0x7;
switch (code) {
case 1: *speed_mbps = 10; *full_duplex = 0; break;
case 2: *speed_mbps = 100; *full_duplex = 0; break;
case 5: *speed_mbps = 10; *full_duplex = 1; break;
case 6: *speed_mbps = 100; *full_duplex = 1; break;
default: return -1;
}
return 0;
}

#2. MAC + DMA 초기화

상세 코드는 길어 ST의 Cube-generated stm32f4xx_hal_eth.c를 사용하는 게 표준. 핵심만:

void eth_init(uint8_t mac[6]) {
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_ETHMACEN
| RCC_AHB1ENR_ETHMACTXEN
| RCC_AHB1ENR_ETHMACRXEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN;
SYSCFG->PMC |= SYSCFG_PMC_MII_RMII_SEL; // RMII mode
// GPIO setup (PA1, PA2, PA7, PB11, PB13, PC1, PC4, PC5 — AF11)
// ...
// MAC reset
ETH->DMABMR |= ETH_DMABMR_SR;
while (ETH->DMABMR & ETH_DMABMR_SR);
// MAC config
ETH->MACCR = ETH_MACCR_FES | ETH_MACCR_DM // 100 Mbps full
| ETH_MACCR_IPCO;
ETH->MACA0HR = (mac[5] << 8) | mac[4];
ETH->MACA0LR = (mac[3] << 24) | (mac[2] << 16) | (mac[1] << 8) | mac[0];
// Setup DMA descriptors (TX/RX rings)
setup_dma_rings();
ETH->MACCR |= ETH_MACCR_TE | ETH_MACCR_RE; // TX/RX enable
ETH->DMAOMR |= ETH_DMAOMR_FTF;
ETH->DMAOMR |= ETH_DMAOMR_ST | ETH_DMAOMR_SR;
}

#3. lwIP raw API — UDP echo

#include "lwip/init.h"
#include "lwip/tcpip.h"
#include "lwip/dhcp.h"
#include "lwip/udp.h"
static struct netif gnetif;
static struct udp_pcb *echo_pcb;
void udp_echo_recv(void *arg, struct udp_pcb *upcb,
struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr, u16_t port) {
udp_sendto(upcb, p, addr, port);
pbuf_free(p);
}
void net_init(void) {
lwip_init();
ip_addr_t ip, netmask, gw;
IP4_ADDR(&ip, 0, 0, 0, 0);
IP4_ADDR(&netmask, 0, 0, 0, 0);
IP4_ADDR(&gw, 0, 0, 0, 0);
netif_add(&gnetif, &ip, &netmask, &gw, NULL,
ethernetif_init, // 사용자가 작성
netif_input);
netif_set_default(&gnetif);
netif_set_up(&gnetif);
dhcp_start(&gnetif);
echo_pcb = udp_new();
udp_bind(echo_pcb, IP_ADDR_ANY, 5000);
udp_recv(echo_pcb, udp_echo_recv, NULL);
}
// main loop
while (1) {
ethernetif_input(&gnetif); // poll RX
sys_check_timeouts();
}

#4. HTTP server (lwIP httpd 모듈)

#include "lwip/apps/httpd.h"
void web_init(void) {
httpd_init();
}

fs/ 디렉토리에 index.html 등을 두고 makefsdata tool로 embedded filesystem을 만들면 lwIP가 serve합니다. 동적 page는 SSI (Server-Side Include).

void net_poll_link(void) {
static int prev_link = -1;
int link = !!(mdio_read(1) & 0x0004);
if (link != prev_link) {
if (link) {
int spd, dup;
phy_get_speed_duplex(&spd, &dup);
printf("Link up: %d Mbps %s\n", spd, dup ? "full" : "half");
netif_set_link_up(&gnetif);
} else {
printf("Link down\n");
netif_set_link_down(&gnetif);
}
prev_link = link;
}
}

100 ms 주기로 호출. cable plug/unplug detect.

#측정 / 동작 확인

Terminal window
# PC에서
$ ping 192.168.1.100
PING 192.168.1.100: 56 data bytes
64 bytes from 192.168.1.100: icmp_seq=0 ttl=64 time=1.234 ms
# UDP echo test
$ echo "hello" | nc -u 192.168.1.100 5000
hello
# HTTP test
$ curl http://192.168.1.100/
<html>...</html>

DHCP가 안 되면 static IP로 시도. ping이 안 가면:

  1. PHY link — RJ45 LED 확인.
  2. MAC address conflict — unique한 값으로.
  3. RMII clock — 50 MHz precise 확인.

스코프로 TXD/RXD를 보면 frame burst가 보임 (idle 95% + brief packets 5%).

#자주 보는 함정

⚠️ 50 MHz RMII clock 정확도

PHY에서 OSC로 공급하거나 MCO로 공급. ±50 ppm 이내. 정확하지 않으면 frame 못 받음.

⚠️ MAC address 모두 같음

여러 보드 동시 사용 시 MAC unique 필수. 보통 STM32 96-bit UID에서 hash로 생성.

⚠️ TX/RX descriptor 부족

DMA ring buffer가 작으면 burst load에서 drop. RX는 5-10개, TX는 3-5개 권장.

⚠️ lwIP buffer 부족

MEM_SIZE, PBUF_POOL_SIZE가 작으면 packet drop. 작은 MCU도 16 KB 이상 권장.

⚠️ Cortex-M7 cache coherency

H7·F7에서 DMA descriptor가 cached → MAC이 stale read. MPU non-cacheable 영역에 배치 또는 invalidate.

⚠️ ESD damage

Ethernet cable에는 큰 ESD. RJ45 magnetics integrated jack 사용, PHY datasheet의 ESD 보호 권고 따름.

#정리

  • MAC = MCU 안, PHY = 외부 chip. RMII 7-wire로 연결, MDIO 2-wire로 관리.
  • PHY register로 link state·speed·duplex 협상.
  • lwIP raw API는 RTOS 없는 환경에 적합. UDP/TCP/HTTP 모두 callback 기반.
  • DHCP로 IP 자동 획득, link polling으로 plug/unplug detect.
  • Unique MAC, 50 MHz precise, 충분한 buffer가 안정성의 핵심.

다음 편은 SD card + FatFs입니다. SPI/SDIO interface와 file system 통합을 다룹니다.

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Modern Embedded Recipes · 61 of 152

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  37. 37MMIO 레지스터 직접 접근 — volatile·Memory Map·Aliasing 분석
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  56. 56TFT 디스플레이 구동 — RGB565·FSMC·LTDC·DMA2D
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  58. 58IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
  59. 59CAN 통신 구현 — bxCAN·Filter·Mailbox·CAN-FD
  60. 60USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
  61. 61Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
  62. 62SD Card + FatFs 구현 — SPI/SDIO 모드·CSD/CID·Wear
  63. 63RTC 활용 — Calendar·Alarm·Wake-up Timer·Backup Domain
  64. 64RTOS 도입 결정 분석 — Super Loop vs RTOS 트레이드오프
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  67. 67RTOS Semaphore 활용 — Binary·Counting·ISR Give
  68. 68RTOS Mutex 활용 — Recursive·Priority Inheritance 적용
  69. 69RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴
  70. 70RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
  71. 71RTOS Software Timer 활용 — One-shot·Auto-reload·Daemon Task
  72. 72ISR-Safe API 설계 — Reentrant·Atomic·Defer 패턴
  73. 73Priority Inversion 진단·예방 — Mars Pathfinder Lesson 추적
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  77. 77U-Boot 활용 — bootcmd·env·tftp·boot.scr 분석
  78. 78Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
  79. 79Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
  80. 80임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
  81. 81커널 모듈 기초 — init/exit·Parameter·KBuild·DKMS
  82. 82캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
  83. 83Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
  84. 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX