强制MT7621网口使用千兆模式 (ETH MAC PHY踩坑记)

    家里一直使用Newifi D2做各个房间的AP覆盖和管理型交换机，一共有四个。这矿渣路由器胜在便宜，性能过的去，又有OpenWRT支持。作为开源强迫症，肯定是全部上OpenWRT了。不过有个问题实在困扰我，距主交换机比较远的几个房间(包括我的卧室)里的AP都只能沟通到百兆速率，但是明明墙里都埋的是CAT5E线，交换机也是千兆的，没理由不能上千兆。刚好因为疫情上网课的时候没事干，于是折腾之旅开始了。

    首先，为了确认不是交换机侧和墙内线的问题，我直接把网线插电脑上，电脑是e1000e的网卡，Linux下各种支持不错。有ethtool可以拿来调试，经过各种测试，发现e1000e网卡大部分情况下可以沟通到千兆，少部分情况下也会降级到百兆，但是可以用ethtool强行指定回到千兆，而且跑iperf也能跑到600Mbps左右，丢包率不高，链路不算很差，看来问题出在MT7621网口的自动沟通流程上了。

    然而，我们知道MT7621的网口透过了一层交换机，从CPU视角只有一个到switch的网口，而OpenWRT对switch有自己的管理机制，简单的ethtool肯定是不管用的。网上一顿搜索，找到OpenWRT下交换机的配置命令swconfig, 其中有个link选项，可以用于配置链路状态。赶紧依样画葫芦，输入 swconfig dev switch0 port 0 set link "speed 1000 duplex full“ 尝试强制进入千兆模式。不过现实光速打脸，直接报错 Failed to set attribute: Operation not supported。大概看了一下swconfig的代码，是直接对着devfs操作的，看来得干内核咯～

    对着OpenWRT内核一顿猛追，找到MT7621的On-die交换机模块MT7530的驱动，swconfig set link命令是由switch_dev_ops的callback set_port_link 实现的，这个在MT7530驱动里的确没实现，得想办法搞他一发。很快找到驱动里有个get_port_link函数，是从交换机模块的PMSR(Port MII Status Register)寄存器里读取当前Port状态。从MT7620的Programming Guide里找到了这个寄存器(MT7621的手册网上找不到，MT7620也内置MT7530，不国只有百兆，缺些功能) ，发现他旁边就有个PMCR(Port MII Control Register)寄存器，其中有些”FORCE_MODE”的位域，按文字描述来看可以强制端口进入特定模式，在内核头文件里也找到了包含千兆模式的完整定义。那就简单了嘛，三下五除二用这些寄存器实现了set_port_link，直接强制半双工/双工状态，流控状态和速率，完事。马上编译OpenWRT刷进路由器测试。

    然而事情并没有这么简单。刷完之后我把路由器的一个端口和电脑e1000e连接测试，发现一旦强制模式和之前Autoneg的模式不同，链路就不通了。而且在进入FORCE_MODE时并没有触发链路重联，也没有协商或强制生成新的速率，感觉是方法出了根本上的问题。郁闷至极，回去重读MT7620的手册，特别注意了MT7530交换机的结构，发现虽然Switch Port 0～4内置了ETH PHY，但这些PHY是需要软件通过MDIO访问PHY MII寄存器配置的，并且手册上标明了PHY MII控制寄存器的位域。联想到之前调Synopsys GMAC建立的理解，链路的模式设置与自动沟通应该由PHY完成。回去重新思考了一下，这里MT7530的Port MII控制寄存器指的应该是交换机MAC侧的MII接口配置，而不是PHY对RJ45接口的配置。读了一遍驱动，驱动里对MT7530面向CPU核的MII Slave接口进行的额外配置基本验证了我的猜想。回过头来，针对对外连接的MAC Port，其默认的Auto Mode就是从PHY Poll当前的链路状态以发出合适的MII信号，进入Force Mode且指定不同的链路模式会导致MAC发出与PHY模式不匹配的信号，进而导致链路不通。

    为了改变链路模式，我们应该配置的是PHY的模式寄存器。PHY的MII寄存器有约定俗成的位域，其中BMCR寄存器中有AutoNeg启用/禁用和强制速率的位。又搜索了一圈代码，发现OpenWRT内核里已经有针对PHY配置模式的switch_generic_set_link函数，我只要自己实现MDIO PHY的寄存器读写函数就好了。于是满心欢喜的写完读写函数，调用这个函数来完成set_link，然后再把一个口连上e1000e测试。这下swconfig命令一下去链路立刻断开重联了，10Base-T和100Base-T都没问题，除了e1000e有一条提示 Autonegotiated half duplex but link partner cannot autoneg. Try forcing full duplex if link gets many collisions.
无法正确判断双工状态。但是一旦要求进入1000Base-T FULL，两边就一起Link Down且不再Link Up。介于AutoNeg是可以沟通出千兆速率的，应该不是物理层问题，我感到很迷茫。

    实在无解，我开始翻IEEE802.3的文档。其中很多概念像天书一样，不过有一句话引起了我的注意，“1000BaseT模式仅能由自动沟通进入”。然而按我当前的操作，显然是没有启用自动沟通。ok，那么自动沟通怎么指定速率呢？继续读文档，自动沟通是通过寻找两端”Advertise”模式的交集来确定当前的模式。而PHY向LP(Link Partner, 也就是链路的对端)发送的”Advertise”模式是可以通过本侧PHY的MII_ADVERTISE和MII_CTRL1000(针对1000BaseT扩展的配置寄存器)控制的。也就是说，我们有办法告诉对端”我们支持的模式只有千兆”，来避免协商降级到百兆。按照这个思路，我写了新的set_port_link，并且测试成功，在模式间切换自如。

    于是，OpenWRT打了补丁之后只要在路由器开机的时候执行一下 swconfig dev switch0 port 0 set link "speed 1000 duplex full“ 就可以保持在千兆模式咯～

相关代码已向OpenWRT发起Pull Request。