針對10Mbps到100Gbps不同以太網(wǎng)Drive Side接口類型

本文主要介紹以太網(wǎng)Drive Side接口（MAC和PHY之間的接口），也被稱為MII(Media Independent Interface)，支持從10M到100G的不同應(yīng)用場合，主要包括MII、RMII、SMII(Cisco Systems Specification)、SSMII、S3MII、GMII、RGMII、SGMII、QSGMII(Cisco Systems Specification)、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、RXAUI、XLGMII、XLAUI、CGMII、CAUI、HIGIG(Broadcom Specification)、Interlaken等接口，下面就針對10Mbps到100Gbps的不同接口進(jìn)行介紹，最后介紹一下PHY芯片的控制接口MDIO BUS。

1、MII接口

2、RMII接口

REF_CLK是由外部時(shí)鐘源提供的50MHz參考時(shí)鐘，與MII接口不同，MII接口中的接收時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘是分開的，而且都是由PHY芯片提供給MAC芯片的。這里需要注意的是，由于數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘是由外部晶振提供而不是由載波信號提取的，所以在PHY層芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)接收部分需要設(shè)計(jì)一個(gè)FIFO，用來協(xié)調(diào)兩個(gè)不同的時(shí)鐘，在發(fā)送接收的數(shù)據(jù)時(shí)提供緩沖。PHY層芯片的發(fā)送部分則不需要FIFO，它直接將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到MAC就可以了。

3、SMII(Cisco Systems Specification)接口

REF_CLK：所有端口共用的一個(gè)參考時(shí)鐘，頻率為125MHz，為什么100Mbps速率要用125MHz時(shí)鐘呢？因?yàn)樵诿?位數(shù)據(jù)中會插入2位控制信號。

TXD/RXD以10比特為一組，以SYNC為高電平來指示一組數(shù)據(jù)的開始，在SYNC變高后的10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，TXD上依次輸出的數(shù)據(jù)是：TXD[7:0]、TX_EN、TX_ER，控制信號的含義與MII接口中的相同；RXD上依次輸出的數(shù)據(jù)是：RXD[7:0]、RX_DV、CRS，RXD[7:0]的含義與RX_DV有關(guān)，當(dāng)RX_DV為有效時(shí)(高電平)，RXD[7:0]上傳輸?shù)氖俏锢韺咏邮盏臄?shù)據(jù)。當(dāng)RX_DV為無效時(shí)(低電平)，RXD[7:0]上傳輸?shù)氖俏锢韺拥臓顟B(tài)信息數(shù)據(jù)。

當(dāng)速率為10Mbps時(shí)，每一組數(shù)據(jù)要重復(fù)10次，MAC/PHY芯片每10個(gè)周期采樣一次。MAC/PHY芯片在接收到數(shù)據(jù)后會進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換。

?4、SSMII接口

5、S3MII接口

6、GMII接口

GMII的數(shù)據(jù)寬度為8位，GMII接口中的發(fā)送參考時(shí)鐘GTX_CLK和接收參考時(shí)鐘RX_CLK的頻率均為125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。GMII接口中的GTX_CLK是由MAC芯片提供給PHY芯片。

在實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)GMII接口都是兼容MII接口的，一般的GMII接口都有兩個(gè)發(fā)送參考時(shí)鐘：TX_CLK和GTX_CLK(兩者的方向是不一樣的)，在用作MII模式時(shí)，使用TX_CLK和8根數(shù)據(jù)線中的4根。

7、RGMII接口

RGMII的時(shí)鐘頻率為125MHz，TX/RX數(shù)據(jù)寬度從8為變?yōu)?位，為了保持1000Mbps的傳輸速率不變，RGMII接口在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。在參考時(shí)鐘的上升沿發(fā)送GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在參考時(shí)鐘的下降沿發(fā)送GMII接口中的TXD[7:4]/RXD[7:4]。RGMII同時(shí)也兼容100Mbps和10Mbps兩種速率，此時(shí)參考時(shí)鐘速率分別為25MHz和2.5MHz。

TX_EN信號線上傳送TX_EN和TX_ER兩種信息，在TX_CLK的上升沿發(fā)送TX_EN，下降沿發(fā)送TX_ER；同樣的，RX_DV信號線上也傳送RX_DV和RX_ER兩種信息，在RX_CLK的上升沿發(fā)送RX_DV，下降沿發(fā)送RX_ER。

8、SGMII接口

SGMII收發(fā)各一對差分信號線，時(shí)鐘頻率625MHz，在時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿均采樣，參考時(shí)鐘RX_CLK由PHY提供，是可選的，主要用于MAC側(cè)沒有時(shí)鐘的情況，一般情況下，RX_CLK不使用。收發(fā)都可以從數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時(shí)鐘。

在TXD發(fā)送的串行數(shù)據(jù)中，每8比特?cái)?shù)據(jù)會插入TX_EN/TX_ER兩比特控制信息，同樣，在RXD接收數(shù)據(jù)中，每8比特?cái)?shù)據(jù)會插入RX_DV/RX_ER兩比特控制信息，所以總的數(shù)據(jù)速率為1.25Gbps=625Mbps*2。

其實(shí)，大多數(shù)MAC芯片的SGMII接口都可以配置成SerDes接口(在物理上完全兼容，只需配置寄存器即可)，直接外接光模塊，而不需要PHY層芯片，此時(shí)時(shí)鐘速率仍舊是625MHz，不過此時(shí)跟SGMII接口不同，SGMII接口速率被提高到1.25Gbps是因?yàn)椴迦肓丝刂菩畔?，而SerDes端口速率被提高是因?yàn)檫M(jìn)行了8b/10b變換，本來8b/10b變換是PHY芯片的工作，在SerDes接口中，因?yàn)橥饷娌唤覲HY芯片，此時(shí)8b/10b變換在MAC芯片中完成了。8b/10b變換的主要作用是擾碼，讓信號中不出現(xiàn)過長的連“0”和連“1”情況，影響時(shí)鐘信息的提取。

9、TBI接口

TBI即Ten BitInterface的意思，接口數(shù)據(jù)位寬由GMII接口的8位增加到10位，其實(shí)，TBI接口跟GMII接口的差別不是很大，多出來的2位數(shù)據(jù)主要是因?yàn)樵赥BI接口下，MAC芯片在將數(shù)據(jù)發(fā)給PHY芯片之前進(jìn)行了8b/10b變換(8b/10b變換本是在PHY芯片中完成的，TBI在MAC中完成了，所以每傳輸一個(gè)字節(jié)需要傳輸10bit數(shù)據(jù))。

RBC0和RBC1是從接收數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來的半頻時(shí)鐘，頻率為62.5MHz，RBC0和RBC1不是差分信號，而是兩個(gè)獨(dú)立的信號，兩者之間有180度的相位差，在這兩個(gè)時(shí)鐘的上升沿都采樣數(shù)據(jù)。RBC0和RBC1也叫偽差分信號。除掉上面說到的之外，剩下的信號都跟GMII接口中的相同。

大多數(shù)芯片的TBI接口和GMII接口兼容。在用作TBI接口時(shí)，CRS和COL一般不用。

10、RTBI接口

RTBI接口數(shù)據(jù)位寬為5bit，時(shí)鐘頻率為125MHz，在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)，同RGMII接口一樣，TX_EN線上會傳送TX_EN和TX_ER兩種信息，在時(shí)鐘的上升沿傳TX_EN，下降沿傳TX_ER；RX_DV線上傳送RX_DV和RX_ER兩種信息，在RX_CLK上升沿傳RX_DV，下降沿傳RX_ER。

11、XGMII接口

XGMII接口的單端信號采用HSTL/SSTL_2邏輯，端口電壓1.5V/2.5V，由于SSTL_2的端口電壓高，功耗大，現(xiàn)在已很少使用。

TXC[3:0]：發(fā)送通道控制信號，TXC=0時(shí)，表示TXD上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；TXC=1時(shí)，表示TXD上傳輸?shù)氖强刂谱址XC[3:0]分別對應(yīng)TXD[31:24]，TXD[23:16]，TXD[15:8]，TXD[7:0]。

RXC[3:0]：接收通道控制信號，RXC=0時(shí)，表示RXD上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；RXC=1時(shí)，表示RXD上傳輸?shù)氖强刂谱址?。RXC[3:0]分別對應(yīng)RXD[31:24]，RXD[23:16]，RXD[15:8]，RXD[7:0]。

TX_CLK：TXD和TXC的參考時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率156.25MHz，在時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。

RX_CLK：RXD和RXC的參考時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率156.25MHz，在時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。156.25MHz*2*32=10Gbps。

XGMII接口還有XLGMII（40Gb）、CGMII（100Gb）等變種。其基本已經(jīng)被XAUI/XLAUI/CAUI接口取代了。

12、XAUI接口

XAUI接口有如下一系列的變種：RXAUI、XLAUI（40Gb）、CAUI（100Gb）等。

由于受電氣特性的影響，XGMII接口的PCB走線最大傳輸距離僅有7cm，并且XGMII接口的連線數(shù)量太多，給實(shí)際應(yīng)用帶來不便。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，XGMII接口通常被XAUI接口代替，XAUI即10Gigabit Attachment Unit Interface，XAUI在XGMII的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了XGMII接口的物理距離擴(kuò)展，將PCB走線的傳輸距離增加到50cm，使背板走線成為可能。

源端XGMII把收發(fā)32位寬度數(shù)據(jù)流分為4個(gè)獨(dú)立的lane通道，每個(gè)lane通道對應(yīng)一個(gè)字節(jié)，經(jīng)XGXS(XGMII ExtenderSublayer)完成8b/10b編碼后，將4個(gè)lane分別對應(yīng)XAUI的4個(gè)獨(dú)立通道，XAUI端口速率為：2.5Gbps*1.25*4＝12.5Gbps。

在發(fā)送端的XGXS模塊中，將TXD[31:0]/RXD[31:0]，TXC[3:0]/RXC[3:0]，TX_CLK/RX_CLK轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)從TX Lane[3:0]/RX Lane[3:0]中發(fā)出去，在接收端的XGXS模塊中，串行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成并行，并且進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和補(bǔ)償，完成時(shí)鐘去抖，經(jīng)過5b/4b解碼后，重新聚合成XGMII。

XAUI接口采用差分線，收發(fā)各四對，CML邏輯，AC耦合方式，耦合電容在10nF~100nF之間。

XAUI接口可以直接接光模塊，如XENPAK/X2等。也可以轉(zhuǎn)換成一路10G信號XFI，接XFP/SFP+等。

有些芯片不支持XAUI接口，只支持XGMII接口，這時(shí)可以用專門的芯片進(jìn)行XGMII→XAUI接口轉(zhuǎn)換，如BCM8011等。

XAUI/XLAUI/CAUI是四通道串行總線，采用的差分信號，CML邏輯傳輸，并且進(jìn)行了擾碼，大大增強(qiáng)了信號的抗擾性能，使得信號的有效傳輸距離增加到50cm。

XAUI/XLAUI/CAUI在物理結(jié)構(gòu)上是一樣的，收發(fā)通道獨(dú)立，各四對差分信號線。

對于XAUI總線，每對差分線上的數(shù)據(jù)速率為3.125Gbps，總數(shù)據(jù)帶寬為12.5Gbps，有效帶寬為12.5Gbps*0.8=10Gbps（因?yàn)閄AUI總線數(shù)據(jù)在傳輸前進(jìn)行了8b/10b變換，編碼效率為80%）。

對于XLAUI總線，每對差分線上的數(shù)據(jù)速率為10.3125Gbps，總數(shù)據(jù)帶寬為41.25Gbps，有效帶寬為41.25Gbps*(64/66)=40Gbps（因?yàn)閄LAUI總線數(shù)據(jù)在傳輸前進(jìn)行了64b/66B變換，編碼效率為96.97%）。

對于CAUI總線，每對差分線上的數(shù)據(jù)速率為25.78125Gbps，總數(shù)據(jù)帶寬為103.125Gbps，有效帶寬為103.125Gbps*(64/66)=100Gbps（因?yàn)镃AUI總線數(shù)據(jù)在傳輸前進(jìn)行了64B/66B變換，編碼效率為96.97%）。

13、Interlaken
Interlaken是Cisco和Cortina公司共同推出的一種高速通道化的C2C（芯片間）接口協(xié)議。主要用于10Gbps端口的MAC、OC-768SONET Framer、下一代100Gbps以太網(wǎng)集成電路、100Gbps Swich Fabric與包處理器。主要有以下特征：

• 支持256個(gè)通道，可以擴(kuò)展到64K；
• 與SPI4.2（SystemPacket Interface Level 4 (SPI-4) Phase 2 Revision 1: OC-192 System Interfacefor Physical and Link Layer Devices.（OIF-SPI-4-2.1））類似，通過簡單control word來表示packet；
• 通過Meta Frame完成各個(gè)lane的對齊；
• 協(xié)議本身和實(shí)際使用lane數(shù)目和SerDes速率無關(guān)；
• 提供帶外帶內(nèi)兩種flow control方式，以及xon/xoff的整個(gè)接口的flow control；
• 采用64/67B數(shù)據(jù)編碼；
• 接口本身性能隨lane增加而同比增加。

TX_Ddta[n:0]p/n：數(shù)據(jù)發(fā)送通道，CML差分電平，每對差分線速率為1~6.25Gbps；

TX_FC_CLK：數(shù)據(jù)發(fā)送通道帶外流控參考時(shí)鐘，LVCMOS電平；

TX_FC_SYNC：數(shù)據(jù)發(fā)送通道帶外流控同步信號，LVCMOS電平；

TX_FC_DATA：數(shù)據(jù)發(fā)送通道帶外流控?cái)?shù)據(jù)信號，LVCMOS電平；

RX_Ddta[n:0]p/n：數(shù)據(jù)接收通道，CML差分電平，每對差分線速率為1~6.25Gbps；

RX_FC_CLK：數(shù)據(jù)接收通道帶外流控參考時(shí)鐘，LVCMOS電平；

RX_FC_SYNC：數(shù)據(jù)接收通道帶外流控同步信號，LVCMOS電平；

RX_FC_DATA：數(shù)據(jù)接收通道帶外流控?cái)?shù)據(jù)信號，LVCMOS電平；

14、MDIO BUS(SMI(Serial Management Interface))
MDIO是一個(gè)以太網(wǎng)控制器的傳輸協(xié)議，廣泛用于以太網(wǎng)控制器和PHY之間的數(shù)據(jù)通訊。

MDIO（Management Data Input/Output），管理數(shù)據(jù)輸入輸出總線。它是由IEEE802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它承載著MAC層和物理層通信的重任。MDIO接口包括兩根信號線：時(shí)鐘線MDC，數(shù)據(jù)線MDIO（雙向），MAC層芯片（或其他控制芯片）可以通過它們訪問物理層芯片的寄存器，并通過這些寄存器來對物理芯片進(jìn)行控制和管理。

MDC(Management Data Clock)：管理接口的時(shí)鐘，是一個(gè)非周期信號，信號的最小周期為400ns（最快2.5MHz），最小正電平時(shí)間和負(fù)電平時(shí)間為160ns，最大正負(fù)電平時(shí)間無限制。

MDIO(Management Data Input/Output)：是雙向的數(shù)據(jù)線，用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。它與MDC時(shí)鐘同步，在MDC上升沿有效。

14.1、MDIO幀格式

PRE：幀前綴域，為32個(gè)連續(xù)“1”比特，這幀前綴域不是必需的，某些物理層芯片的MDIO操作就沒有這個(gè)域。

ST：幀開始標(biāo)識碼，為“01”。

OP：幀操作碼(讀寫操作)，比特“10”表示此幀為一讀操作幀，比特“01”表示此幀為一寫操作幀。

PHYAD：PHY芯片的地址，5個(gè)比特，每個(gè)芯片都把自己的地址與這5個(gè)比特進(jìn)行比較，若匹配則響應(yīng)后面的操作，若不匹配，則忽略掉后面的操作。一個(gè)系統(tǒng)最多聯(lián)31個(gè)PHY（地址0為保留）。

REGAD：用來選擇物理層芯片的32個(gè)寄存器中的某個(gè)寄存器的地址。一個(gè)PHY上最多32個(gè)寄存器地址（可以使用shadow value技術(shù)，訪問更多的寄存器）。

TA：狀態(tài)轉(zhuǎn)換域，若為讀操作，則第一比特時(shí)MDIO為高阻態(tài)，第二比特時(shí)由物理層芯片使MDIO置“0”。若為寫操作，則MDIO仍由MAC層芯片控制，其連續(xù)輸出“10”兩個(gè)比特。

DATA：幀的寄存器的數(shù)據(jù)域，16比特，若為讀操作，則為物理層送到MAC層的數(shù)據(jù)，若為寫操作，則為MAC層送到物理層的數(shù)據(jù)。

IDLE：幀結(jié)束后的空閑狀態(tài)，此時(shí)MDIO無源驅(qū)動，處于高阻狀態(tài)，但一般用上拉電阻使其處在高電平，即MDIO引腳需要上拉電阻。

14.2、MDIO操作時(shí)序

MDIO工作流程如下：

• Preamle(PRE)：在沒有傳輸數(shù)據(jù)的空閑狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)線MDIO處于高阻態(tài)（由于外部上拉，故一直為1）。
• Start of Frame(ST)：MAC驅(qū)動MDIO線，出現(xiàn)一個(gè)2bit的開始標(biāo)識碼(01)。
• Operation Code(OP)：MAC驅(qū)動MDIO線，出現(xiàn)一個(gè)2bit數(shù)據(jù)來標(biāo)識是讀操作(10)還是寫操作(01)。
• PHY Address(PHYAD)：MAC驅(qū)動MDIO線，出現(xiàn)一個(gè)5bit數(shù)據(jù)標(biāo)識PHY的地址，對應(yīng)該地址的PHY芯片會響應(yīng)。
• Reg Address(REGAD)：MAC驅(qū)動MDIO線，出現(xiàn)一個(gè)5bit的PHY芯片寄存器地址（需要讀/寫的地址）。
• Turnaround(TA)：寫操作的話，MAC驅(qū)動MDIO線，出現(xiàn)10；讀操作的話，MDIO pin of MAC must be put in high-impedance state，在第二個(gè)周期，PHY驅(qū)動MDIO線，出現(xiàn)0。
• Data，MDIO串行讀出/寫入PHY芯片寄存器的數(shù)據(jù)（16bit）。
• 最后MDIO恢復(fù)成空閑狀態(tài)（IDLE），同時(shí)MDIO進(jìn)入高阻狀態(tài)。

本文主要介紹了以太網(wǎng)MAC和PHY之間的接口，支持10Mbps到100Gbps的不同速率等級，同時(shí)介紹了PHY芯片的控制接口MDIO總線。