MII接口全家福

簡介：
    MII是英文Medium Independent Interface的縮寫，翻譯成中文是“介質獨立接口”，該接口一般應用于MAC層和PHY層之間的以太網數(shù)據(jù)傳輸，也可叫數(shù)據(jù)接口。（MAC與PHY間的管理接口一般是MDIO）
    MII接口的類型有很多，常用的有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等。下面對它們進行一一介紹。

MII接口

RMII即Reduced MII，是MII的簡化板，連線數(shù)量由MII的16根減少為8根。

TXD[1:0]：數(shù)據(jù)發(fā)送信號線，數(shù)據(jù)位寬為2，是MII接口的一半；

RXD[1:0]：數(shù)據(jù)接收信號線，數(shù)據(jù)位寬為2，是MII接口的一半；

TX_EN(Transmit Enable)：數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號，與MII接口中的該信號線功能一樣；

RX_ER(Receive Error)：數(shù)據(jù)接收錯誤提示信號，與MII接口中的該信號線功能一樣；

CLK_REF：是由外部時鐘源提供的50MHz參考時鐘，與MII接口不同，MII接口中的接收時鐘和發(fā)送時鐘是分開的，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層芯片內的數(shù)據(jù)接收部分需要設計一個FIFO，用來協(xié)調兩個不同的時鐘,在發(fā)送接收的數(shù)據(jù)時提供緩沖。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。

CRS_DV：此信號是由MII接口中的RX_DV和CRS兩個信號合并而成。當介質不空閑時，CRS_DV和RE_CLK相異步的方式給出。當CRS比RX_DV早結束時(即載波消失而隊列中還有數(shù)據(jù)要傳輸時)，就會出現(xiàn)CRS_DV在半位元組的邊界以25MHz/2.5MHz的頻率在0、1之間的來回切換。因此，MAC能夠從 CRS_DV中精確的恢復出RX_DV和CRS。

在100Mbps速率時，TX/RX每個時鐘周期采樣一個數(shù)據(jù)；在10Mbps速率時，TX/RX每隔10個周期采樣一個數(shù)據(jù)，因而TX/RX數(shù)據(jù)需要在數(shù)據(jù)線上保留10個周期，相當于一個數(shù)據(jù)發(fā)送10次。

當PHY層芯片收到有效的載波信號后，CRS_DV信號變?yōu)橛行В藭r如果FIFO中還沒有數(shù)據(jù)，則它會發(fā)送出全0的數(shù)據(jù)給MAC，然后當FIFO中填入有效的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀的開頭是“101010---”交叉的前導碼，當數(shù)據(jù)中出現(xiàn)“01”的比特時，代表正式數(shù)據(jù)傳輸開始，MAC芯片檢測到這一變化，從而開始接收數(shù)據(jù)。

當外部載波信號消失后，CRS_DV會變?yōu)闊o效，但如果FIFO中還有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，CRS_DV在下一周期又會變?yōu)橛行В缓笤贌o效再有效，直到FIFO中數(shù)據(jù)發(fā)送完為止。在接收過程中如果出現(xiàn)無效的載波信號或者無效的數(shù)據(jù)編碼，則RX_ER會變?yōu)橛行В硎疚锢韺有酒邮粘鲥e。

SMII即Serial MII，串行MII的意思，跟RMII相比，連線進一步減少到4根；

TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)信號，位寬為1；
RXD：接收數(shù)據(jù)信號，位寬為1；
SYNC：收發(fā)數(shù)據(jù)同步信號，每10個時鐘周期置1次高電平，指示同步。
CLK_REF：所有端口共用的一個參考時鐘，頻率為125MHz，為什么100Mbps速率要用125MHz時鐘？因為在每8位數(shù)據(jù)中會插入2位控制信號，請看下面介紹。
 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個時鐘周期內，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，當RX_DV為有效時(高電平)，RXD[7:0]上傳輸?shù)氖俏锢韺咏邮盏臄?shù)據(jù)。當RX_DV為無效時(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)。見下表：



當速率為10Mbps時，每一組數(shù)據(jù)要重復10次，MAC/PHY芯片每10個周期采樣一次。
MAC/PHY芯片在接收到數(shù)據(jù)后會進行串/并轉換。

SSMII即Serial Sync MII，叫串行同步接口，跟SMII接口很類似，只是收發(fā)使用獨立的參考時鐘和同步時鐘，不再像SMII那樣收發(fā)共用參考時鐘和同步時鐘，傳輸距離比SMII更遠。

SSSMII即Source Sync Serial MII，叫源同步串行MII接口，SSSMII與SSMII的區(qū)別在于參考時鐘和同步時鐘的方向，SSMII的TX/RX參考時鐘和同步時鐘都是由PHY芯片提供的，而SSSMII的TX參考時鐘和同步時鐘是由MAC芯片提供的，RX參考時鐘和同步時鐘是由PHY芯片提供的，所以顧名思義叫源同步串行。

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)送參考時鐘GTX_CLK和接收參考時鐘RX_CLK的頻率均為125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。
在這里有一點需要特別說明下，那就是發(fā)送參考時鐘GTX_CLK，它和MII接口中的TX_CLK是不同的，MII接口中的TX_CLK是由PHY芯片提供給MAC芯片的，而GMII接口中的GTX_CLK是由MAC芯片提供給PHY芯片的。兩者方向不一樣。
在實際應用中，絕大多數(shù)GMII接口都是兼容MII接口的，所以，一般的GMII接口都有兩個發(fā)送參考時鐘：TX_CLK和GTX_CLK(兩者的方向是不一樣的，前面已經說過了)，在用作MII模式時，使用TX_CLK和8根數(shù)據(jù)線中的4根。

RGMII即Reduced GMII，是GMII的簡化版本，將接口信號線數(shù)量從24根減少到14根(COL/CRS端口狀態(tài)指示信號，這里沒有畫出)，時鐘頻率仍舊為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接口在時鐘的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。在參考時鐘的上升沿發(fā)送GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在參考時鐘的下降沿發(fā)送GMII接口中的TXD[7:4]/RXD[7:4]。RGMI同時也兼容100Mbps和10Mbps兩種速率，此時參考時鐘速率分別為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。




SGMII接口




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，參考時鐘RX_CLK由PHY提供，是可選的，主要用于MAC側沒有時鐘的情況，一般情況下，RX_CLK不使用。收發(fā)都可以從數(shù)據(jù)中恢復出時鐘。
在TXD發(fā)送的串行數(shù)據(jù)中，每8比特數(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比特數(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，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，此時時鐘速率仍舊是625MHz，不過此時跟SGMII接口不同，SGMII接口速率被提高到1.25Gbps是因為插入了控制信息，而SerDes端口速率被提高是因為進行了8B/10B變換，本來8B/10B變換是PHY芯片的工作，在SerDes接口中，因為外面不接PHY芯片，此時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，影響時鐘信息的提取，關于8B/10B變換知識，我后續(xù)會單獨介紹。

TBI即Ten Bit Interface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，TBI接口跟GMII接口的差別不是很大，多出來的2位數(shù)據(jù)主要是因為在TBI接口下，MAC芯片在將數(shù)據(jù)發(fā)給PHY芯片之前進行了8B/10B變換(8B/10B變換本是在PHY芯片中完成的，前面已經說過了)，另外，RX_CLK+/-是從接收數(shù)據(jù)中恢復出來的半頻時鐘，頻率為62.5MHz，RX_CLK+/-不是差分信號，而是兩個獨立的信號，兩者之間有180度的相位差，在這兩個時鐘的上升沿都采樣數(shù)據(jù)。RX_CLK+/-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，CRS和COL一般不用。

RTBI即Reduced TBI，簡化版TBI，接口數(shù)據(jù)位寬為5bit，時鐘頻率為125MHz，在時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。


萬兆以太網接口的端口速率為10Gbps，主要有XGMII和XAUI兩種，另外還有HIGIG，不過HIGIG是Broadcom公司的私有標準，這里暫不介紹。

TXD[31:0]：數(shù)據(jù)發(fā)送通道，32位并行數(shù)據(jù)。
RXD[31:0]：數(shù)據(jù)接收通道，32位并行數(shù)據(jù)。
TXC[3:0]：發(fā)送通道控制信號，TXC=0時，表示TXD上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；TXC=1時，表示TXD上傳輸?shù)氖强刂谱址XC[3:0]分別對應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，表示RXD上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)；RXC=1時，表示RXD上傳輸?shù)氖强刂谱址XC[3:0]分別對應RXD[31:24], RXD[23:16], RXD[15:8], RXD[7:0]。
TX_CLK：TXD和TXC的參考時鐘，時鐘頻率156.25MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。156.25MHz * 2 * 32 = 10Gbps 。
RX_CLK：RXD和RXC的參考時鐘，時鐘頻率156.25MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。

XGMII接口共74根連線，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。HSTL即High Speed Transceiver Logic，高速發(fā)送邏輯的意思。SSTL，即Stub Series Terminated Logic，短路終止邏輯，主要用于高速內存接口，SSTL目前存在兩種標準，SSTL_3是3.3V標準；SSTL_2是2.5V標準。

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，給實際應用帶來不便，因此，在實際應用中，XGMII接口通常被XAUI接口代替，XAUI即10 Gigabit attachment unit interface，10G附屬單元接口，XAUI在XGMII的基礎上實現(xiàn)了XGMII接口的物理距離擴展，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個獨立的lane通道，每個lane通道對應一個字節(jié)，經XGXS(XGMII Extender Sublayer)完成8B/10B編碼后，將4個lane分別對應XAUI的4個獨立通道，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)被轉換成并行，并且進行時鐘恢復和補償，完成時鐘去抖，經過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，這時可以用專門的芯片進行XGMII/XAUI接口轉換，如BCM8011等。

   數(shù)據(jù)位4bit,即使用MDI的4根線，即2對差分線

即使用MDI的8根線，即4對差分線

對于10/100/1000M的(G)MII
  rx_clk由PHY提供，為 2.5MHz/25MHz/125MHz
  10/100M時，使用tx_clk，由PHY提供，為2.5MHz/25MHz
  1000M時， 使用gtx_clk，由MAC提供，為125MHz