吉比特以太網(wǎng)的技術原理及技術擴展

一、技術簡介

1.1名詞解釋

千兆網(wǎng)，又稱吉比特以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）是一個描述各種以1G比特每秒速率進行以太網(wǎng)幀傳輸技術

千兆網(wǎng)的傳輸方式有多種，我們這篇筆記以1000BASE-T為例。1000BASE-T在IEEE 802.3ab中規(guī)定，該 標準于1999年通過，該標準將吉比特以太網(wǎng)定義為利用非屏蔽雙絞線（Unshielded Twist Pair）五類線（Category 5）或六類線纜（Category 6）進行的數(shù)據(jù)傳輸，并被稱作1000BASE-T。在 802.3ab 標準中，吉比特以太網(wǎng)成為一種可以利用現(xiàn)有的銅纜基礎設施實行的技術。

1.2基本技術原理

1000BASE-T PHY 支持通過 4 對最低為 CAT5 的對稱電纜進行全雙工基帶傳輸。1000Mb/s 通過四個線對， 每對 250Mb/s 的傳輸速率實現(xiàn)。使用混合器及消除器允許在同一時間在同一線對上傳送和接收符號，可實現(xiàn)全雙工傳輸。每個線對使用 125 MBd 調(diào)制率的基帶信號。傳送的符號從四維五級符號結構 (4DPAM5) 中選擇。

二、技術細節(jié)

2.1 基本結構

基本結構分為MAC、PHY個MDI三部分，這個在前面都講過。

接下來我們看一下PHY部分的分層，下面這張圖截取自IEEE 802.3ab

GMII：千兆網(wǎng)的媒體獨立接口，用來和MAC進行通信。

PCS：物理編碼子層，用來對數(shù)據(jù)進行編碼(在發(fā)送數(shù)據(jù)時)和解碼(當接收數(shù)據(jù)時)。在千兆網(wǎng)中用的8b/10b編碼。

PMA：物理媒體連接子層，向PCS子層提供與媒體無關的方法，以支持使用面向串行比特的物理媒體。執(zhí)行并串/串并轉(zhuǎn)換。

PMD：物理媒體相關子層，定義物理層信令和媒體相關接口(MDI)，以及所支持的媒體類型。在千兆網(wǎng)中最終產(chǎn)生的就是四個差分對類型的信號。

MDI：媒體相關接口，用來將PMD子層和物理層的線纜連接。在千兆網(wǎng)中就是四對差分對。

2.2?MAC 層接口

從 MAC 層接口到千兆 PHY， IEEE 802.3ab 標準中有三種不同的選擇：標準介質(zhì)獨立接口 (MII) GMII、SGMII 或 RGMII。

2.2.1 GMII

GMII 的用途是使各種物理介質(zhì)對 MAC 層透明。GMII 可接受GMII 或MII 數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信號，并分別將其路由到1000BASE-T、100BASE-TX 或10BASE-T 模塊。

GMII 提供全雙工操作并且是8 位寬傳輸及接收數(shù)據(jù)通道接口，采用125 MHz 時鐘，設定速度可達1000Mb/s。GMII 向后兼容MII 規(guī)范，從而支持 10 (2.5MHz) 及100 (25MHz) Mb/s 速率。數(shù)據(jù)和定界符與時鐘基準同步。它同時提供簡單的管理接口。具體信號定義如下：

發(fā)送器：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信號的時鐘信號（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M信號時鐘

◇ TXD[7..0]——被發(fā)送數(shù)據(jù)

◇ TXEN——發(fā)送器使能信號

◇ TXER——發(fā)送器錯誤（用于破壞一個數(shù)據(jù)包）

注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號，TXD、TXEN、TXER信號與此時鐘信號同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK時鐘信號，其它信號與此信號同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡）。

接收器：

◇ RXCLK——接收時鐘信號（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無關聯(lián)）

◇ RXD[7..0]——接收數(shù)據(jù)

◇ RXDV——接收數(shù)據(jù)有效指示

◇ RXER——接收數(shù)據(jù)出錯指示

◇ COL——沖突檢測（僅用于半雙工狀態(tài)）

GMII 使用總共最多 25 引腳。

2.2.2 RGMII

RGMII 旨在減少連接在MAC 與PHY 的引腳數(shù)（相對于GMII 的24 引腳，RGMII 只需12 引腳）。通過優(yōu)化， RGMII 由 12 個信號組成：

6 個接收信號：RX_CTL、RX_CLK 和RX_D[3:0]

6 個發(fā)送信號：TX_CTL、TX_CLK 和TX_D[3:0]

相比于GMII，RGMII信號線減少了，時鐘信號依然為125M，但是要保證1000M數(shù)據(jù)傳輸。為實現(xiàn)此目標，數(shù)據(jù)通道及所有相關控制信號都被減少并多路復用。時鐘的上升沿與下降沿均使用。在千兆運行過程中，GTX_CLK 和RX_CLK 時鐘為125MHz， 對于10 和100Mb/s 運行，時鐘頻率分別為2.5MHz 和25MHz。

2.2.3 SGMII

SGMII即Serial GMII，串行GMII，收發(fā)各一對差分信號線，時鐘頻率625MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿均采樣。因為SGMII使用了serdes技術，用到了8b/10b (SerDes) 編碼。所以SGMII接口的速率依然是625M*2*8b/10b=1000M。SGMII接口抗干擾能力比較強，可以通過背板進行信號傳輸。

2.2.4 串行管理接口

串行管理接口SMI)由管理數(shù)據(jù)時鐘MDC以及管理數(shù)據(jù)輸入/輸出(MDIO) 信號組成。它可以對PHY 的內(nèi)部寄存器空間的狀態(tài)信息及配置進行訪問。當一個地址被用于識別相應 PHY 受控端，基于串行通信協(xié)議，MDC 以及MDIO 信號可以在幾個PHY 之間共享。

2.3編碼技術

PHY中的PCS層是物理編碼子層，用來對MAC層通過GMII或者RGMII發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行編碼以便通過MDI傳輸，當然也同樣承擔著解碼任務。編碼完成的任務是保證高速的數(shù)據(jù)能正常通過線纜進行傳輸。

1000Base-T在PCS層使用4D-PAM5編碼，所謂的PAM5表示每個碼元有五個電平-2,-1,0,1,2，但是每個碼元只能表示4個符號，00，01，10，11，因為還有一個電平表示前向糾錯碼FEC。所以一個碼元能傳輸2bit信息（4=2^2）。這樣做比我們平常的二電平編碼提高了帶寬利用率，并能把波特率和所需信號帶寬減為原來的一半（125Mbps）。但多電平編碼需要用多位A/D，D/A轉(zhuǎn)換，采用更高的傳輸信噪比和更好的接收均衡性能。

PCS層其實將8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4個碼元。數(shù)據(jù)在PMD層需要再做一個8b/10b編碼，然后將數(shù)據(jù)放到4個差分對上進行傳輸，所以每個差分對上的碼元速率為1000M/8*4/4=125M。所以，盡管是千兆速率，但實際上對示波器的帶寬要求只需能高保真采集125MHz信號即可。

所以在差分信號對上我們測試到的眼圖應該是下面這樣的。五個電平四只眼，周期是8ns。

2.4 MDI接口

1000BASE-T MDI接口的拓撲結構如下

其信號號線定義如下：

通常我們使用的水晶頭引腳順序定義如下圖：

差分對要求阻抗為100歐姆，信號擺幅在不同速率下受下面表格參數(shù)約束（參考DP83867IR數(shù)據(jù)手冊）

在MDI接口中我們需要使用變壓器耦合，因為IEEE 802.3 規(guī)定， 帶 MDI（非電源接口 (PI)） 的 PHY 應該在端口設備電路之間提供電隔離，包括機架接地（如果存在） 以及全部 MDI 引線。電隔離應當承受至少以下一種電氣強度測試：

? 1500 VRMS， 在 50 至 60Hz 之間 60s

? 2250-V 直流 60s

? 十個 2400V 極性交替脈沖構成的脈沖序列，應用間隔不小于1s

為滿足此要求， 通常使用變壓器隔離。1000BASE-T 的典型變壓器配置可通過下圖的一個差分對來反映。

根據(jù) PHY 設備，每個MDI 差分信號對都可能都需要并聯(lián)端接電阻。端接阻抗通常為100Ω 。有些PHY器件（如 DP83867IR）含有集成端接電阻，因此不再需要外部端接電阻。下圖是DP83867IR的MDI接口的原理圖

說明：

1.上圖中TPD4E05U06DQA 為TVS二級管。

2.在 MDI 連接中使用的變壓器提供本地電路與網(wǎng)絡線纜的直流隔離。在隔離繞組的中間抽頭處有一個“BobSmith”端接， 通過一個 75Ω 和一個 1000pF 的電容器接地。端接電容的額定電壓應當至少為 2kV。BobSmith 端接降低了共模電流流過產(chǎn)生的噪聲。

3.需要考慮從 RJ45 到磁場及從磁場到 DP8867IR 的走線長度， 因為這些信號是差分對信號。這意味著信號要盡可能在滿足走線長度要求的情況下長度差異盡可能大。為確保數(shù)據(jù)完整性， 走線差異應當小于 10mil(0.254 mm)。

2.5 技術優(yōu)勢說明

千兆以太網(wǎng)使用4對差分對進行信號傳輸，在信號傳輸和設計復雜度之間取得很好的平衡。其實因為后面的萬兆網(wǎng)方案設計提供基礎和思路。

三、技術擴展

1.千兆網(wǎng)技術標準

2.千兆網(wǎng)的EMC設計和測試

千兆的EMC設計是比較有挑戰(zhàn)的，參考資料里面的《符合 EMI/EMC 標準的工業(yè)溫度級雙端口千兆位以太網(wǎng)參考設計》是一篇非常有實踐意義的文章。這篇文章給出了完整的參考設計，還對EMC測試進行了詳細的表述，對于沒有做個深入EMC測試的同仁來說是非常好的學習資?？梢詮闹袑W習EMC測試的方法。

參考資料

1.1. IEEE Std 802.3-2008, IEEE

ieee802.org/3/index.htm

2.DP83867IR, TI

ti.com.cn/product/cn/DP

3.以太網(wǎng)物理層信號測試與分析,eefocus,佚名

eefocus.com/communicati

4.符合 EMI/EMC 標準的工業(yè)溫度級雙端口千兆位以太網(wǎng)參考設計 ，TI

ti.com.cn/cn/lit/ug/zhc

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擴展：SERDES與SGMII

SERDES的概念：

SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的簡稱。它是一種主流的時分多路復用(TDM)、點對點(P2P)的串行通信技術。即在發(fā)送端多路低速并行信號被轉(zhuǎn)換成高速串行信號，經(jīng)過傳輸媒體(光纜或銅線)，最后在接收端高速串行信號重新轉(zhuǎn)換成低速并行信號。這種點對點的串行通信技術充分利用傳輸媒體的信道容量，減少所需的傳輸信道和器件引腳數(shù)目，從而大大降低通信成本。????

這是一種通信技術的統(tǒng)稱。

SERializer/DESerializer

Translates an n-bit parallel bus into adifferential serial stream

Receives a differential serial stream andconverts it back to an n-bit parallel bus

SerDes technology simplifies transferringthe parallel data by eliminating the skew between the parallel data paths andreduces system cost by narrowing the data path.?

SGMII的概念：

如果說到SGMII則會想到MII、GMII、XGMII、QGMII等信號接口。

SGMII--Serial Gigabit Media IndependentInterface ? SGMII是PHY與MAC之間的接口，類似與GMII和RGMII，只不過GMII和RGMII都是并行的，而且需要隨路時鐘，PCB布線相對麻煩，而且不適應背板應用。而SGMII是串行的，不需要提供另外的時鐘，MAC和PHY都需要CDR去恢復時鐘。另外SGMII是有8B/10b編碼的，速率是1.25。所以，SGMII需要PHY來做8b/10b的解碼工作。

SGMII在物理上是兼容SERDES信號的，所以走的通道也是SERDESlane。

實例1：

在intel的LAN芯片中，一般情況都是MAC和PHY在一起的。所以通過eeprom可以配置LAN芯片輸出信號的種類?？梢越与娍赗J45和光口SFP。

如果我們需要直接從LAN芯片中接SFP接口，則需要配置成SerDes(1000Base-BX)mode；

如果接RJ45，則需要在flash中配置成copper PHY。

如果需要接另外一顆PHY，則需要在flash中配置成SGMII Mode，送如PHY中。

實例2：

在octeon的芯片中QLM可以配置成SGMII和1000BASE-x。這兩種模式走的通道均為SERDES lane。如果接電口RJ45，則需要配置成SGMII，通過PHY來完成解碼和negotiation。

如果接光口SFP，則需要配置成1000BASE-x，讓QLM切換成PHY來實現(xiàn)negotiation和解碼動作。這樣可以不用接PHY。

10/100/1000：數(shù)字 100 用單位 MHz (Megahertz) 表示網(wǎng)線設計的頻率。即 100MHz。MHz 的值越大，網(wǎng)線所支持的速度就越快。如果你嘗試將這種類型的網(wǎng)線用于更高的頻率(和速度)中，那么它將不工作或者變得極為不可靠。100 MHz 以每秒 100Mbit 的速度傳輸，這在理論上指的就是12Mbps。然而，在實際中，可能還無法獲得超過 4Mbps。

BASE：BASE 是英文 baseband 的縮寫，指的就是基帶。表示沒有使用頻分復用或者其它頻率轉(zhuǎn)換技術，每一個信號在一個單一頻率上完全控制線纜。

數(shù)字T/F/C等：一般數(shù)組表示傳輸長度；T 代表承載信號的物理介質(zhì)是雙絞線纜（分為UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽雙絞線）和STP（Shielded Twicted Pair，屏蔽雙絞線）），在這里每一對傳送信號的雙絞線互相纏繞以 (FEXT 和 NEXT 之間) 減少電磁干擾和串擾；F 表示光纖

最后的字母或數(shù)字（4/X等）：在同一種傳送速率下有多種不同的標準，它們之間以一個字母或數(shù)字跟隨 T/F/C 之后的方式來區(qū)隔（例如 TX）。它顯示了網(wǎng)線的結構并指出包含的絞線對的數(shù)量。某些高速標準使用同軸電纜，則分配代號為 CX。

編輯：黃飛