Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
#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 전력과 latency에 약해 산업·인프라는 유선 Ethernet이 표준.
이 글은 STM32F4/F7 + LAN8742 PHY + lwIP로 raw API HTTP server를 구현합니다.
#핵심 개념
#MAC vs PHY
| 단 | 인터페이스 | 역할 |
|---|---|---|
| MCU 내부 (ETH MAC) | RMII data → PHY | frame TX/RX, DMA |
| MCU ↔ PHY (LAN8742 등) | MDIO / MDC | link status, speed 협상 |
| External PHY | RJ45 + transformer | 물리 신호, encoding |
| RJ45 → 네트워크 | UTP cable | Cat5e/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 validRXD[1:0] ←── 2-bit RX dataTXEN ──→ TX enableTXD[1:0] ──→ 2-bit TX data50 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
| Layer | 사용처 |
|---|---|
| Raw API (callback) | 단일 thread, IRQ 환경에 적합 |
| Sequential API (netconn) | RTOS task 환경 |
| Socket API | BSD-style, RTOS 필요 |
| netif | 하드웨어 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 loopwhile (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).
#5. Link state monitoring
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
# PC에서$ ping 192.168.1.100PING 192.168.1.100: 56 data bytes64 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 5000hello
# HTTP test$ curl http://192.168.1.100/<html>...</html>DHCP가 안 되면 static IP로 시도. ping이 안 가면:
- PHY link — RJ45 LED 확인.
- MAC address conflict — unique한 값으로.
- 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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