针对10Mbps到100Gbps不同以太网Drive Side接口类型

本文主要介绍以太网Drive Side接口（MAC和PHY之间的接口），也被称为MII(Media Independent Interface)，支持从10M到100G的不同应用场合，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，下面就针对10Mbps到100Gbps的不同接口进行介绍，最后介绍一下PHY芯片的控制接口MDIO BUS。

1、MII接口

100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。TXC和RXC均由PHY提供。PHY在TXC的上升沿采样TXD上的数据，MAC在RXC的上升沿采样RXD上的数据。

2、RMII接口

REF_CLK是由外部时钟源提供的50MHz参考时钟，与MII接口不同，MII接口中的接收时钟和发送时钟是分开的，而且都是由PHY芯片提供给MAC芯片的。这里需要注意的是，由于数据接收时钟是由外部晶振提供而不是由载波信号提取的，所以在PHY层芯片内的数据接收部分需要设计一个FIFO，用来协调两个不同的时钟，在发送接收的数据时提供缓冲。PHY层芯片的发送部分则不需要FIFO，它直接将接收到的数据发送到MAC就可以了。

3、SMII(Cisco Systems Specification)接口

REF_CLK：所有端口共用的一个参考时钟，频率为125MHz，为什么100Mbps速率要用125MHz时钟呢？因为在每8位数据中会插入2位控制信号。

TXD/RXD以10比特为一组，以SYNC为高电平来指示一组数据的开始，在SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD上依次输出的数据是：TXD[7:0]、TX_EN、TX_ER，控制信号的含义与MII接口中的相同；RXD上依次输出的数据是：RXD[7:0]、RX_DV、CRS，RXD[7:0]的含义与RX_DV有关，当RX_DV为有效时(高电平)，RXD[7:0]上传输的是物理层接收的数据。当RX_DV为无效时(低电平)，RXD[7:0]上传输的是物理层的状态信息数据。

当速率为10Mbps时，每一组数据要重复10次，MAC/PHY芯片每10个周期采样一次。MAC/PHY芯片在接收到数据后会进行串/并转换。

​4、SSMII接口

5、S3MII接口

6、GMII接口

GMII的数据宽度为8位，GMII接口中的发送参考时钟GTX_CLK和接收参考时钟RX_CLK的频率均为125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。GMII接口中的GTX_CLK是由MAC芯片提供给PHY芯片。

在实际应用中，绝大多数GMII接口都是兼容MII接口的，一般的GMII接口都有两个发送参考时钟：TX_CLK和GTX_CLK(两者的方向是不一样的)，在用作MII模式时，使用TX_CLK和8根数据线中的4根。

7、RGMII接口

RGMII的时钟频率为125MHz，TX/RX数据宽度从8为变为4位，为了保持1000Mbps的传输速率不变，RGMII接口在时钟的上升沿和下降沿都采样数据。在参考时钟的上升沿发送GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在参考时钟的下降沿发送GMII接口中的TXD[7:4]/RXD[7:4]。RGMII同时也兼容100Mbps和10Mbps两种速率，此时参考时钟速率分别为25MHz和2.5MHz。

TX_EN信号线上传送TX_EN和TX_ER两种信息，在TX_CLK的上升沿发送TX_EN，下降沿发送TX_ER；同样的，RX_DV信号线上也传送RX_DV和RX_ER两种信息，在RX_CLK的上升沿发送RX_DV，下降沿发送RX_ER。

8、SGMII接口

SGMII收发各一对差分信号线，时钟频率625MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿均采样，参考时钟RX_CLK由PHY提供，是可选的，主要用于MAC侧没有时钟的情况，一般情况下，RX_CLK不使用。收发都可以从数据中恢复出时钟。

在TXD发送的串行数据中，每8比特数据会插入TX_EN/TX_ER两比特控制信息，同样，在RXD接收数据中，每8比特数据会插入RX_DV/RX_ER两比特控制信息，所以总的数据速率为1.25Gbps=625Mbps*2。

其实，大多数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)，直接外接光模块，而不需要PHY层芯片，此时时钟速率仍旧是625MHz，不过此时跟SGMII接口不同，SGMII接口速率被提高到1.25Gbps是因为插入了控制信息，而SerDes端口速率被提高是因为进行了8b/10b变换，本来8b/10b变换是PHY芯片的工作，在SerDes接口中，因为外面不接PHY芯片，此时8b/10b变换在MAC芯片中完成了。8b/10b变换的主要作用是扰码，让信号中不出现过长的连“0”和连“1”情况，影响时钟信息的提取。

9、TBI接口

TBI即Ten BitInterface的意思，接口数据位宽由GMII接口的8位增加到10位，其实，TBI接口跟GMII接口的差别不是很大，多出来的2位数据主要是因为在TBI接口下，MAC芯片在将数据发给PHY芯片之前进行了8b/10b变换(8b/10b变换本是在PHY芯片中完成的，TBI在MAC中完成了，所以每传输一个字节需要传输10bit数据)。

RBC0和RBC1是从接收数据中恢复出来的半频时钟，频率为62.5MHz，RBC0和RBC1不是差分信号，而是两个独立的信号，两者之间有180度的相位差，在这两个时钟的上升沿都采样数据。RBC0和RBC1也叫伪差分信号。除掉上面说到的之外，剩下的信号都跟GMII接口中的相同。

大多数芯片的TBI接口和GMII接口兼容。在用作TBI接口时，CRS和COL一般不用。

10、RTBI接口

RTBI接口数据位宽为5bit，时钟频率为125MHz，在时钟的上升沿和下降沿都采样数据，同RGMII接口一样，TX_EN线上会传送TX_EN和TX_ER两种信息，在时钟的上升沿传TX_EN，下降沿传TX_ER；RX_DV线上传送RX_DV和RX_ER两种信息，在RX_CLK上升沿传RX_DV，下降沿传RX_ER。

11、XGMII接口

XGMII接口的单端信号采用HSTL/SSTL_2逻辑，端口电压1.5V/2.5V，由于SSTL_2的端口电压高，功耗大，现在已很少使用。

TXC[3:0]：发送通道控制信号，TXC=0时，表示TXD上传输的是数据；TXC=1时，表示TXD上传输的是控制字符。TXC[3:0]分别对应TXD[31:24]，TXD[23:16]，TXD[15:8]，TXD[7:0]。

RXC[3:0]：接收通道控制信号，RXC=0时，表示RXD上传输的是数据；RXC=1时，表示RXD上传输的是控制字符。RXC[3:0]分别对应RXD[31:24]，RXD[23:16]，RXD[15:8]，RXD[7:0]。

TX_CLK：TXD和TXC的参考时钟，时钟频率156.25MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿都采样数据。

RX_CLK：RXD和RXC的参考时钟，时钟频率156.25MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿都采样数据。156.25MHz*2*32=10Gbps。

XGMII接口还有XLGMII（40Gb）、CGMII（100Gb）等变种。其基本已经被XAUI/XLAUI/CAUI接口取代了。

12、XAUI接口

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

由于受电气特性的影响，XGMII接口的PCB走线最大传输距离仅有7cm，并且XGMII接口的连线数量太多，给实际应用带来不便。因此，在实际应用中，XGMII接口通常被XAUI接口代替，XAUI即10Gigabit Attachment Unit Interface，XAUI在XGMII的基础上实现了XGMII接口的物理距离扩展，将PCB走线的传输距离增加到50cm，使背板走线成为可能。

源端XGMII把收发32位宽度数据流分为4个独立的lane通道，每个lane通道对应一个字节，经XGXS(XGMII ExtenderSublayer)完成8b/10b编码后，将4个lane分别对应XAUI的4个独立通道，XAUI端口速率为：2.5Gbps*1.25*4＝12.5Gbps。

在发送端的XGXS模块中，将TXD[31:0]/RXD[31:0]，TXC[3:0]/RXC[3:0]，TX_CLK/RX_CLK转换成串行数据从TX Lane[3:0]/RX Lane[3:0]中发出去，在接收端的XGXS模块中，串行数据被转换成并行，并且进行时钟恢复和补偿，完成时钟去抖，经过5b/4b解码后，重新聚合成XGMII。

XAUI接口采用差分线，收发各四对，CML逻辑，AC耦合方式，耦合电容在10nF~100nF之间。

XAUI接口可以直接接光模块，如XENPAK/X2等。也可以转换成一路10G信号XFI，接XFP/SFP+等。

有些芯片不支持XAUI接口，只支持XGMII接口，这时可以用专门的芯片进行XGMII→XAUI接口转换，如BCM8011等。

XAUI/XLAUI/CAUI是四通道串行总线，采用的差分信号，CML逻辑传输，并且进行了扰码，大大增强了信号的抗扰性能，使得信号的有效传输距离增加到50cm。

XAUI/XLAUI/CAUI在物理结构上是一样的，收发通道独立，各四对差分信号线。

对于XAUI总线，每对差分线上的数据速率为3.125Gbps，总数据带宽为12.5Gbps，有效带宽为12.5Gbps*0.8=10Gbps（因为XAUI总线数据在传输前进行了8b/10b变换，编码效率为80%）。

对于XLAUI总线，每对差分线上的数据速率为10.3125Gbps，总数据带宽为41.25Gbps，有效带宽为41.25Gbps*(64/66)=40Gbps（因为XLAUI总线数据在传输前进行了64b/66B变换，编码效率为96.97%）。

对于CAUI总线，每对差分线上的数据速率为25.78125Gbps，总数据带宽为103.125Gbps，有效带宽为103.125Gbps*(64/66)=100Gbps（因为CAUI总线数据在传输前进行了64B/66B变换，编码效率为96.97%）。

13、Interlaken
Interlaken是Cisco和Cortina公司共同推出的一种高速通道化的C2C（芯片间）接口协议。主要用于10Gbps端口的MAC、OC-768SONET Framer、下一代100Gbps以太网集成电路、100Gbps Swich Fabric与包处理器。主要有以下特征：

• 支持256个通道，可以扩展到64K；
• 与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））类似，通过简单control word来表示packet；
• 通过Meta Frame完成各个lane的对齐；
• 协议本身和实际使用lane数目和SerDes速率无关；
• 提供带外带内两种flow control方式，以及xon/xoff的整个接口的flow control；
• 采用64/67B数据编码；
• 接口本身性能随lane增加而同比增加。

TX_Ddta[n:0]p/n：数据发送通道，CML差分电平，每对差分线速率为1~6.25Gbps；

TX_FC_CLK：数据发送通道带外流控参考时钟，LVCMOS电平；

TX_FC_SYNC：数据发送通道带外流控同步信号，LVCMOS电平；

TX_FC_DATA：数据发送通道带外流控数据信号，LVCMOS电平；

RX_Ddta[n:0]p/n：数据接收通道，CML差分电平，每对差分线速率为1~6.25Gbps；

RX_FC_CLK：数据接收通道带外流控参考时钟，LVCMOS电平；

RX_FC_SYNC：数据接收通道带外流控同步信号，LVCMOS电平；

RX_FC_DATA：数据接收通道带外流控数据信号，LVCMOS电平；

14、MDIO BUS(SMI(Serial Management Interface))
MDIO是一个以太网控制器的传输协议，广泛用于以太网控制器和PHY之间的数据通讯。

MDIO（Management Data Input/Output），管理数据输入输出总线。它是由IEEE802.3定义的以太网行业标准，它承载着MAC层和物理层通信的重任。MDIO接口包括两根信号线：时钟线MDC，数据线MDIO（双向），MAC层芯片（或其他控制芯片）可以通过它们访问物理层芯片的寄存器，并通过这些寄存器来对物理芯片进行控制和管理。

MDC(Management Data Clock)：管理接口的时钟，是一个非周期信号，信号的最小周期为400ns（最快2.5MHz），最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大正负电平时间无限制。

MDIO(Management Data Input/Output)：是双向的数据线，用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。它与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。

14.1、MDIO帧格式

PRE：帧前缀域，为32个连续“1”比特，这帧前缀域不是必需的，某些物理层芯片的MDIO操作就没有这个域。

ST：帧开始标识码，为“01”。

OP：帧操作码(读写操作)，比特“10”表示此帧为一读操作帧，比特“01”表示此帧为一写操作帧。

PHYAD：PHY芯片的地址，5个比特，每个芯片都把自己的地址与这5个比特进行比较，若匹配则响应后面的操作，若不匹配，则忽略掉后面的操作。一个系统最多联31个PHY（地址0为保留）。

REGAD：用来选择物理层芯片的32个寄存器中的某个寄存器的地址。一个PHY上最多32个寄存器地址（可以使用shadow value技术，访问更多的寄存器）。

TA：状态转换域，若为读操作，则第一比特时MDIO为高阻态，第二比特时由物理层芯片使MDIO置“0”。若为写操作，则MDIO仍由MAC层芯片控制，其连续输出“10”两个比特。

DATA：帧的寄存器的数据域，16比特，若为读操作，则为物理层送到MAC层的数据，若为写操作，则为MAC层送到物理层的数据。

IDLE：帧结束后的空闲状态，此时MDIO无源驱动，处于高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平，即MDIO引脚需要上拉电阻。

14.2、MDIO操作时序

MDIO工作流程如下：

• Preamle(PRE)：在没有传输数据的空闲状态时，数据线MDIO处于高阻态（由于外部上拉，故一直为1）。
• Start of Frame(ST)：MAC驱动MDIO线，出现一个2bit的开始标识码(01)。
• Operation Code(OP)：MAC驱动MDIO线，出现一个2bit数据来标识是读操作(10)还是写操作(01)。
• PHY Address(PHYAD)：MAC驱动MDIO线，出现一个5bit数据标识PHY的地址，对应该地址的PHY芯片会响应。
• Reg Address(REGAD)：MAC驱动MDIO线，出现一个5bit的PHY芯片寄存器地址（需要读/写的地址）。
• Turnaround(TA)：写操作的话，MAC驱动MDIO线，出现10；读操作的话，MDIO pin of MAC must be put in high-impedance state，在第二个周期，PHY驱动MDIO线，出现0。
• Data，MDIO串行读出/写入PHY芯片寄存器的数据（16bit）。
• 最后MDIO恢复成空闲状态（IDLE），同时MDIO进入高阻状态。

本文主要介绍了以太网MAC和PHY之间的接口，支持10Mbps到100Gbps的不同速率等级，同时介绍了PHY芯片的控制接口MDIO总线。

编辑：hfy