千兆網(wǎng)絡(luò)PHY芯片RTL8211E的實(shí)踐應(yīng)用

一、千兆以太網(wǎng)的系統(tǒng)搭建

1.硬件系統(tǒng)搭建

以太網(wǎng)MAC模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC子層的功能，完成802.3ab的數(shù)據(jù)封裝與解封。其同時(shí)負(fù)責(zé)適配硬件PHY的物理接口，組成物理層的通訊接口; 硬件系統(tǒng)的功能可以通過 Verilog HDL硬件描述語言在FPGA控制器內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然也可以在FPGA控制器內(nèi)，使用FPGA提供的MAC IP核來實(shí)現(xiàn)MAC協(xié)議功能，從而可以替代MAC接口協(xié)議芯片，這樣可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。FPGA控制器通過GMII總線和PHY芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過MDI/MDIO 管理接口，來配置并讀取PHY芯片內(nèi)部的各寄存器。

PHY是物理接口收發(fā)器,它實(shí)現(xiàn)物理層.IEEE-802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)PHY。PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候,收到MAC過來的數(shù)據(jù)，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù),再按照物理層的編碼規(guī)則把數(shù)據(jù)編碼,再變?yōu)?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)把數(shù)據(jù)送出去。收數(shù)據(jù)時(shí)的流程反之。PHY還有個(gè)重要的功能就是實(shí)現(xiàn)CSMA/CD的部分功能。它可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送。PHY還提供了和對(duì)端設(shè)備連接的重要功能并通過LED燈顯示出自己目前的連接的狀態(tài)和工作狀態(tài)讓我們知道。

隔離變壓器：把PHY送出來的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào),并且通過電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。這樣不但使網(wǎng)線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號(hào),隔斷了信號(hào)中的直流分量,還可以在不同0V電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。

RJ45是布線系統(tǒng)中信息插座(即通信引出端)連接器的一種，上端連接PHY層物理層芯片，下端連接網(wǎng)線。有些廠家會(huì)將網(wǎng)絡(luò)變壓器融合至RJ45接頭中，在接口選型中要注意，如果廠家不自帶隔離變壓器，需在設(shè)計(jì)中考慮相關(guān)功能及器件。連接器由插頭(接頭、水晶頭)和插座(模塊)組成，插頭有8個(gè)凹槽和8個(gè)觸點(diǎn)，是標(biāo)準(zhǔn)8位模塊化接口的俗稱。為支持千兆以太網(wǎng)，制作直通線時(shí)一般采用T568B標(biāo)準(zhǔn)，即需要8個(gè)數(shù)據(jù)接口均需連接。

2.通信協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議按照功能不同分為osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層。從tcp/ip五層協(xié)議的角度來闡述可分為以下幾層：

1)物理層：計(jì)算機(jī)之間完成組網(wǎng)，即光纜、電纜、雙絞線、網(wǎng)線、無線電波等。

2)數(shù)據(jù)鏈路層：將單純的電信號(hào)0、1進(jìn)行整合，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即“以太網(wǎng)協(xié)議ethernet”。包括定義數(shù)據(jù)幀、MAC地址等。

3)網(wǎng)絡(luò)層：局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通信。包括IP協(xié)議(配置IP地址、設(shè)置子網(wǎng)掩碼、解析IP數(shù)據(jù)包)和ARP協(xié)議(獲取主機(jī)MAC地址)等。

4)傳輸層：tcp協(xié)議、udp協(xié)議等。

5)應(yīng)用層：www、FTP、HTTP、email等。

在基于FPGA的千兆以太網(wǎng)傳輸中，需將數(shù)據(jù)通過FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議的打包和MAC協(xié)議處理，通過RGMII總線協(xié)議傳輸將數(shù)據(jù)傳送至PHY芯片，PHY芯片將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至RJ45接口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。其中，PHY到FPGA的傳輸接口一般包括有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等， PHY到網(wǎng)絡(luò)變壓器之前傳輸接口一般為MDI。

按照OSI模型，基于開發(fā)板至上位機(jī)之間的通信需使用到的模型層有物理層(RJ45網(wǎng)接口)、數(shù)據(jù)鏈路層(PHY芯片和MAC協(xié)議)、網(wǎng)絡(luò)層(在FPGA中處理的MAC協(xié)議)、傳輸層(在FPGA中處理的數(shù)據(jù)協(xié)議打包)。

涉及到的傳輸協(xié)議有：以太網(wǎng)MAC協(xié)議與GMII協(xié)議。

以太網(wǎng)MAC協(xié)議主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù),如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息,最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層。該協(xié)議由硬件語言在FPGA控制器內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)。(數(shù)據(jù)分析)

GMII協(xié)議((Gigabit Media Independant Interface)千兆MII接口。GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá)1000Mbps。同時(shí)兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。為FPGA(MAC控制器)與PHY芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。本項(xiàng)目中，結(jié)合芯片選型，可選取RGMII協(xié)議(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精簡(jiǎn)GMII接口。信號(hào)定義如下：(數(shù)據(jù)傳輸)

信號(hào)名稱 描述 方向

TXC 發(fā)送時(shí)鐘 MAC→PHY

TX_CTL 發(fā)送數(shù)據(jù)控制 MAC → PHY

TXD[3:0] 發(fā)送數(shù)據(jù)4bit MAC → PHY

RXC 接收時(shí)鐘 PHY → MAC

RX_CTL 接收數(shù)據(jù)控制 PHY → MAC

RXD[3:0] 接收數(shù)據(jù)4bit PHY → MAC

MDIO 管理數(shù)據(jù) 雙向

MDC 管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘 MAC → PHY

二、芯片選型

1.千兆以太網(wǎng)PHY芯片選型

以太網(wǎng)芯片市場(chǎng)規(guī)模龐大，而且比較穩(wěn)固，但該市場(chǎng)每隔幾年就會(huì)出現(xiàn)一次重大技術(shù)轉(zhuǎn)變。該產(chǎn)業(yè)目前處于從快速以太網(wǎng)(FE)向千兆以太網(wǎng)(GbE)轉(zhuǎn)變過程的末期。其中大多數(shù)設(shè)計(jì)采用的是博通(Broadcom)、英特爾、Marvell和瑞昱(Realtek)的單芯片(MAC+PHY)控制器芯片。

Marvell(美滿)，美國(guó)品牌。常見的10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片有Marvell的88E8001/88E8053/88E806*系列。屬于芯片第一梯隊(duì)。芯片質(zhì)量最好，種類最齊全，產(chǎn)品成熟，達(dá)到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但因目前國(guó)際關(guān)系，供貨不穩(wěn)定。

Broadcom，美國(guó)品牌。包括FE PHY，千兆PHY，2.5G/5GBASE-T PHY，10GBASE-T PHY，汽車PHY等。常見的10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片有BCM5721/5751系列芯片。芯片質(zhì)量好，產(chǎn)品成熟，但因目前國(guó)際關(guān)系，供貨不穩(wěn)定。

Realtek臺(tái)灣瑞昱，是典型的臺(tái)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)PHY芯片廠家。用戶可根據(jù)自己的需求自由選取10M/100M/1000Mbps三種不同通信速度的芯片。其產(chǎn)品支持單口多口，單口包括RTL8211系和RTL8251系，雙口為RTL8212系，四口為RTL8214系,八口則為RTL8208系。性價(jià)比也相對(duì)較高。市場(chǎng)份額最大，芯片質(zhì)量雖不如美滿，但質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。因使用范圍廣，參考資料較多。相比于其他品牌，供貨相對(duì)穩(wěn)定。

ATHEROS(高通)，美國(guó)品牌，全球最大的無線半導(dǎo)體供應(yīng)商。近幾年研發(fā)生產(chǎn)PHY芯片系列，常見的10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片有AR8031與AR8035系列。

其他品牌包括：IC PLUS,臺(tái)灣九陽電子推出的IP101系列芯片有10M/100 Mbps兩種可選。SMSC，被美國(guó)Microchip公司收購, 在通信速度上有也有10M/ 100M/1000Mbps三種不同的選擇。目前在網(wǎng)絡(luò)PHY芯片主打型號(hào)為L(zhǎng)AN87系列。

國(guó)產(chǎn)芯片中，生產(chǎn)PHY芯片的廠商有蘇州裕泰車通，但產(chǎn)品只有10/100M,并不支持千兆以太網(wǎng)。

本次設(shè)計(jì)中，選取Realtek公司的RTL8211E單口芯片，主要考慮因素有：滿足千兆以太網(wǎng)需求、產(chǎn)品穩(wěn)定、技術(shù)文檔成熟、參考資料相對(duì)較多、貨源穩(wěn)定、性價(jià)比高?？商娲漠a(chǎn)品有高通的AR8035、美滿的88E1111等。

引腳功能在下一節(jié)中有詳細(xì)介紹。具體引腳和封裝設(shè)計(jì)如下圖所示：

2.RJ45接口選型

為減少外部分立器件的數(shù)量，有助于布局布線，改善系統(tǒng)的EMC/EMI性能，盡量選擇連接器自帶隔離變壓器以及終端電阻的RJ45接口。在接口期間的廠商中，國(guó)產(chǎn)接口即可滿足設(shè)計(jì)需求。本次設(shè)計(jì)中，RJ45網(wǎng)絡(luò)接口采用中山市漢仁公司(HanRun)的 HR91130A，連接器自帶隔離變壓器以及終端電阻。該接口的引腳特性及外圍電路設(shè)計(jì)在下一節(jié)中有介紹。可替代器件有安費(fèi)諾amphenol公司的MRJ548101、泰科電子TE connectivity的2301995-1等。下圖為該接口的封裝設(shè)計(jì)。

三、PHY芯片的外圍電路設(shè)計(jì)

RTL8211E應(yīng)用主要包括電源部分設(shè)計(jì)、MDI接口設(shè)計(jì)、RGMII接口設(shè)計(jì)以及接口管理設(shè)計(jì)等四部分組成。

1.RTL8211E電源部分設(shè)計(jì)

RTL8211E的電源主要由3.3V及1.05V兩個(gè)電源組成，接入外部電源為3.3V，并通過自身的switching regulator形成1.05V電源或者從外部電源引入。這兩組電源主要為芯片運(yùn)行以及GMII、MDI等IO接口驅(qū)動(dòng)提供電源。如下則為RTL8211E、RTL8211EG的電源引腳說明。

RTL8211E的3.3V電源由外部電源VDD33引入，并通過去耦電容C3的過濾，形成芯片的數(shù)字3.3V電源DVDD33及模擬3.3V電源AVDD33。如圖，其中C3對(duì)電源質(zhì)量影響比較大。

對(duì)于接口管理應(yīng)用1.05V的IO驅(qū)動(dòng)電源，則是通過芯片自身的switching regulator轉(zhuǎn)換或通過一個(gè)外接LDO進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果采用自身的regulator轉(zhuǎn)換，則是3.3V模擬電源通過去耦電容接入芯片，另外通過外接0電阻與去耦電容形成模擬或數(shù)字1.05V電源。switching regulator只能給芯片自身的AVDD10和DVDD10供電，不能給其它外部電路供電。

2.RTL2811E至MDI接口設(shè)計(jì)

MDI( Medium Dependent Interface )介質(zhì)相關(guān)接口與互聯(lián)網(wǎng)連接一般通過信號(hào)傳輸端(TD+&TD-)和信號(hào)接收端(RD+ &RD-)，然后再通過網(wǎng)絡(luò)濾波器以及RJ-45與終端網(wǎng)絡(luò)相連。

MDI連接屬于高速信號(hào)連接，對(duì)MDI線路設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)需特別注意，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M網(wǎng)絡(luò)變壓器，以及到RJ-45接口的路徑需要盡可能短，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M網(wǎng)絡(luò)變壓器的距離不能超過12cm，而且兩對(duì)接受或傳輸差分信號(hào)線需盡可能的接近，可使噪聲影響互相抵消。一般兩者之前距離等于一線寬，例如，信號(hào)線寬8mil，則D1的寬度為8mil。兩組信號(hào)線之間的跟離D2一般推薦為30mil。

3. RTL8211E之RGMII接口設(shè)計(jì)

MII是英文Medium Independent Interface的縮寫，翻譯成中文是“介質(zhì)獨(dú)立接口”，該接口一般應(yīng)用于MAC層和PHY層之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，也可叫數(shù)據(jù)接口，MII即Reduced MII、是MII的簡(jiǎn)化。與MII接口相比，GMII的數(shù)據(jù)寬度由4位變?yōu)?位，GMII接口中的控制信號(hào)如TX_ER、TX_EN、RX_ER、RX_DV、CRS和COL的作用同MII接口中的一樣，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)。

RGMII連接屬于高速信號(hào)連接，對(duì)RGMII線路設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)需特別注意，RTL8211E/RTL8211EG到MAC之間的不能超過2.5inch。RGMII時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)之間需要留20mils的間距，GMII 接收與發(fā)送布線長(zhǎng)度之差還要超過100mils。RGMII的布線都有一塊沒破壞的完整地平面。

根據(jù)RGMII協(xié)議，TXC與RXC分別為數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)送與接收的頻率，在千兆以太網(wǎng)中，分別為125MHz。接收數(shù)據(jù)的端口為RX[0…3]，控制使能為TX_CTL;發(fā)送數(shù)據(jù)的端口為TX[0…3]，控制使能為RX_CTL。

為了EMI考慮，需要在PHY芯片RXC端放置一個(gè)RC濾波，并在MAC芯片TXC端放置一個(gè)RC濾波。

根據(jù)芯片手冊(cè)，MDC/MDIO管理接口用于控制芯片的工作模式，由于其采用開漏輸出，需要通過上拉電阻維持其工作狀態(tài)。

4. RJ45接口的外圍電路設(shè)計(jì)

千兆PHY通過網(wǎng)絡(luò)變壓器連接到RJ45接口，一共有4對(duì)差分線MDI[0…3]+/-。一般的接法是：

MDI[0]+ : RJ45[1]

MDI[0]- : RJ45[2]

MDI[1]+ : RJ45[3]

MDI[1]- : RJ45[6]

MDI[2]+ : RJ45[4]

MDI[2]- : RJ45[5]

MDI[3]+ : RJ45[7]

MDI[3]- : RJ45[8]

RJ45[1…8]連接器的線序與水晶頭的壓接順序一致。

四、電路板設(shè)計(jì)

PCB板層設(shè)計(jì)可根據(jù)FPGA資源利用的情況及BGA芯片的扇出情況進(jìn)行設(shè)定，可使用常規(guī)的六層電路板設(shè)計(jì)布線，即SIG-GND-SIG-PWR-GND-SIG。信號(hào)層與接地層相鄰，電源層與接地層配對(duì)，這樣具有較好的信號(hào)完整性。建議對(duì)Rx±、Tx±差分對(duì)進(jìn)行阻抗控制，阻抗控制在100歐姆±10%。

布線規(guī)則如下：

以太網(wǎng)接口速率較高，會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，會(huì)在銅皮產(chǎn)生感應(yīng)電流，在RJ45接口處需將除差分引腳外的信號(hào)全部挖空，挖空區(qū)避免走線。

機(jī)殼地走線加粗，一般為1mm，機(jī)殼地與板內(nèi)板的邊緣間距要大于或等于1mm。

3.電源地走線加粗。

等長(zhǎng)要求，TX+與TX-信號(hào)做等長(zhǎng)，RX+與RX-做等長(zhǎng)，盡量保持差分對(duì)平行、等長(zhǎng)、短距，避免過孔、交叉。由于管腳分布、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長(zhǎng)易不匹配，時(shí)序會(huì)發(fā)生偏移，還會(huì)引入共模干擾，降低信號(hào)質(zhì)量。長(zhǎng)度差通常控制在5mil以內(nèi)。

TX與RX應(yīng)分開不同層走線，如果同層，間距應(yīng)拉開4W(4倍線寬)。

6.PHY芯片發(fā)熱量較大，可適當(dāng)考慮增加散熱孔或背面開窗。

根據(jù)芯片手冊(cè)，布線時(shí)還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1.輸入3.3V電壓與芯片VDDREG引腳連接時(shí)，線寬需超過40mils。

2.去耦電容需放置在距離VDDREG引腳200mils(0.5cm)范圍內(nèi)，以防止輸入電壓過沖。

3.輸出電壓REGOUT的線寬必須大于60mils。

3.輸出電壓REGOUT的電感必須放置在引腳200mils(0.5cm)范圍內(nèi);電容需放置在距離電感200mils(0.5cm)范圍內(nèi)。

為了保證開關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性，Cout1與Cout2必須為陶瓷電容器(X5R)，Cin1和Cin2需為陶瓷電容器。

5.電感和Cin1需要和芯片在同一層布線;VDDREG和REGOUT之間的連線不能使用過孔。

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