MAC與PHY之間的接口標准 MII/GMII


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Media Independent Interface ( MII ),介質獨立接口,起初是定義100M以太網(Fast Ethernet)的 MAC 層與 PHY 芯片之間的傳輸標准(802.3u)。介質獨立的意思是指,MAC與PHY之間的通信不受具體傳輸介質(雙絞線或光纖等)的影響,任何MAC和PHY都可以通過MII接口互連。

MAC與PHY之間的MII連接可以是可插拔的連接器,或者是同一塊PCB上MAC與PHY之間的走線。

MDIO 是MII接口的一部分,用於在MAC和PHY之間傳遞配置信息。在系統上電瞬間,PHY芯片通過管腳的電平狀態確定原始設置,進而通過MDIO更改配置。

最初MII定義數據 4 bit 發送+ 4 bit 接收,每位數據速率 25MHz ,總數據速率 100Mbps 。其它 MII 標准的變種,包括 RMIIGMIIRGMIIXGMIISGMII,基本上都是定位於更高速率或者更少的信號數的目標,圖1表示在以太網通信層次模型中MII接口的位置。

 

 

 

 

圖1. IEEE 802.3 標准(100Mbps +)

MII: Media Independent Interface


MII接口信號包括三類,分別為:

  • 發送端信號:TXCLKTXD[0-3]TXENTXER
  • 接收端信號:RXCLKRXD[0-3]RXDVRXERCRSCOL
  • 配置信號:MDIOMDC

信號方向如下圖所示,其中 TXER 為選配。MII 共計 18 根信號線,只有 MDIO/MDC 信號可以在不同PHY間級聯。假定系統中有 8 個PHY,則MII信號總數為 8*16 + 2 = 130 根!為減少信號數,RMII接口應運而生。

 

 

 

圖2. MII Interface

RMII: Reduced Media Independent Interface


相比於MII接口,RMII有以下四處變化:

  • TXCLK 和 RXCLK 兩個時鍾信號,合並為一個時鍾 REFCLK
  • 時鍾速率由 25MHz 上升到 50MHz,單向數據由 4 bits 變為 2 bits
  • CRS 和 RXDV 合並為一個信號 CRSDV
  • 取消了 COL 信號

RMII信號如下圖所示。RMII只要 9 根信號線,相比於MII的 18 根信號可謂有不少的刪減,在同一個系統中的多個設備可以共享 MDIOMDC 和 REFCLK 信號線。

 

 

 

圖3. RMII Interface

 

GMII: Gigabit Media Independent Interface


GMII接口的數據速率可達 1000Mbps,其時鍾頻率為 125MHz ,單向數據位寬 8 bits。GMII向下兼容MII,可以像MII一樣工作在 100Mbps 和 10Mbps 的數據速率。

GMII接口信號包括三類,分別為:

  • 發送端信號:GTXCLKTXCLKTXD[0-7]TXENTXER
  • 接收端信號:RXCLKRXD[0-7]RXDVRXERCRSCOL
  • 配置信號:MDIOMDC

發送端包括兩個時鍾信號 GTXCLK 和 TXCLK,當設備工作於 1000Mbps 模式時,TXD, TXEN, TXER 是與 GTXCLK (125MHz)同步的,而在 10/100Mbps 工作模式時,以上數據信號是同步於由PHY提供的TXCLK 的,其中 100Mbps 時是 25MHz10Mbps 時是 2.5MHz。接收端時鍾只有一個時鍾信號 RXCLK,它是從接收數據中恢復的時鍾。

 

 

 

圖4. GMII Interface

 

RGMII: Reduced Gigabit Media Independent Interface


RGMII相比於GMII減小將近一半的管腳數(24 → 12),通過以下兩種方式:

  • 1000Mbps模式下,在時鍾的/下邊沿均采樣數據
  • 取消不重要的如 CRSCOL 等信號

在RGMII接口中 MAC 在 TXC 上一直提供時鍾信號,而不像在GMII接口中那樣,10/100Mbps 模式下時鍾是由 PHY 提供(TXCLK),而 1000Mbps 模式下時鍾是由 MAC 提供(GTXCLK)。在RGMII中應用到源同步時鍾,即數據與時鍾信號是同步的。這要求在PCB設計中,要對時鍾信號額外增加 1.5~2 ns 的延遲以保證接收端的建立/保持時間滿足要求。在 RGMII v2.0 規范中有定義MAC/PHY內部延遲(RGMII-ID),由此避免PCB設計中再要增加這個延遲。

在RGMII接口中:

  • 1000Mbps 模式,數據在時鍾的/下邊沿均采樣
  • 10/100Mbps 模式,數據僅在時鍾上升沿采樣

RXCTL 和 TXCLT 為復用的傳輸控制信號。RXCTL 在時鍾的上升沿代表 RXDV,在時鍾的下降沿代表(RXDV xor RXER);TXCTL 在時鍾的上升沿代表 TXEN,在時鍾的下降沿代表(TXEN xor TXER)。

RGMII v1.3 采用 2.5V CMOS 電平,RGMII v2 采用 1.5V HSTL 電平。

 

 

 

圖5. RGMII Interface

 

SGMII: Serial Gigabit Media Independent Interface


SGMII發送和接收時鍾頻率均為 625MHz,采用 DDR 模式,因此數據速率為1.25Gbps。SGMII相比於GMII,功耗更低,采用 SerDes 接口后管腳數更少。SGMII發送和接受數據各 1 對差分信號(LVDS),另外還有 1 對差分時鍾,共 6 根線。對於 MAC/PHY 中包括時鍾恢復電路(CDR, Clock and Data Recovery circuitry )的系統,TXCLK 可以省略,SGMII接口只需要 4 根線,相比於GMII( 24 根)和RGMII( 12 根)信號線大大減少!

TX/RX在數據發送端必須同時產生時鍾,而接收端的時鍾是可選的,因為可以通過 CDR 恢復時鍾。在 10/100Mbps 工作模式下,數據分別重復發送 100/10 次,因此時鍾always是 625MHz

 

 

 

 

圖6. SGMII Interface

 

 

 

圖7. 4-Wire/6-Wire SGMII

XGMII: 10 Gigabit Media Independent Interface


XGMII 是用於10G以太網的MAC與PHY設備間通信的接口標准,它包括 32 bits 的數據通道(RXD & TXD),兩組 4 bits 的控制通道(RXC & TXC)和兩組時鍾(收/發),時鍾頻率 156.25 MHz ,工作在 DDR 模式。圖8表示XGMII接口的連接示意圖,注意 RXD/TXD 信號上的 36 表示 32 bits 數據 + bits 控制信號,其中每 8 bits 數據稱為 1 個Lane,共用 1 路控制信號。

  • 10 Gbps = 156.25 MHz * 32 bits * 2

XGMII信號數目(74 根)較多,通常用於芯片內的連接,不適合作為芯片間通信的接口,因此協議定義XGXS(XGMII eXtender Sublayer)子層以縮減信號數目,簡化硬件設計。XGXS 子層主要完成 8b/10b 編碼和不同Lane之間的去偏斜等功能。如圖8所示,在信號鏈的兩端,MAC和PHY 都包括XGXS子層,XAUI 是 XGXS 之間通信的接口。

XAUI 接口包括4組發送差分對和4 組接收差分對,共 16 根信號。每組差分對(Lane)的數據速率為 3.125 Gbps,因此總的數據速率為 4 * 3.125 Gbps = 12.5 Gbps,考慮到8b/10b的效率為80%,因此實際數據速率為 12.5Gbps * 80% = 10 Gbps

 

 

 

圖8. XGMII Interface

XFI/XFP

 

XFI 是10G以太網 PMA(Physical Medium Attachment)和 PMD(Physical Medium Dependent)之間的接口標准,它只有兩對差分線(收/發),共 4 根線,如圖9所示。XFI 接口速度達到 10.3125 Gbps,采用 64B/66B 編碼,在XAUI與XFI之間使用到 SerDes 以減小信號數。

 

 


 

圖9. 10GbE Layer & Interface

XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)是指應用XFI接口的光模塊,應用於10G以太網的光傳輸。


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