以太网接口总线类型笔记

以太网接口技术

概述

• 以太的接口技术有很多，按照其在标准模型中所在位置，可以简单地分成两种：
• MAC接口：MAC接口用于连接PHY芯片或者和MAC直连，常用的有：MII、SMII、GMII、RGMII、SGMII、QSGMII、XGMII、XAUI、XLAUI等等。
• MDI接口：MDI接口是介质相关接口，常用于连接PHY芯片和外部介质，常用的有MDIX、SFI、XFI等。

MII（Media Independent Interface）

参考标准

• 《IEEE Std 802.3 – 2002》

接口概述

• MII接口由 两个独立的数据通道、各个数据通道的控制/状态/时钟信号以及MII管理接口信号组成。
• MII接口在MAC和PHY之间提供一条百兆位速率的通路。
• 支持10Mbos和100Mbps速率的数据传输以及其管理功能。
• 提供独立的 4位宽数据收发通道。
• 数据和控制信号需要时钟同步。
• 提供一个简单管理接口。
• 使用TTL信号电平，兼容通用的数字CMOSASIC处理。
• 使用屏蔽线缆可提供有限长度的驱动能力。
• 提供全双工操作。
• 接口信号
• MII为点对点连接，加上MDC/MDIO管理信号，共有18根引脚。
• 信号速率与带宽
• 100Mbps模式下MII接口 时钟频率为25MHz； 数据通路为4路并行通路，且MIi接口上传送的信号不需要经过编码，故信号带宽最高为 25 * 4 = 100Mbps。
• 10Mbps模式下MII接口 时钟频率为2.5MHz； 数据通路为4路并行通路，且MII接口上传送的信号不需经过编码，所以信号带宽最高 2.5 * 4 = 10Mbps。
• 应用环境
• MII接口互连：允许MAC间通过MII接口互连通信。
• 10/100Mbps自适应收发器模块：实现不同媒介百兆PHY同百兆MAC之间的连接，MII可支持板上连接或线缆连接。

SMII（Serial Media Independent Interface）

参考标准

• Cisco Systerms，Inc Serial-MII Specification Revision 2.1 February 9,2000

接口概述

• SMII是简化MII接口的设计， SMII接口仅使用一个发送数据线和一个接收数据线来传送MII接口的所有数据和控制信息，大大简化了接口设计，SMII接口具有一下特点：
• 允许多个端口共用一个系统参考时钟；
• 允许全双工和半双工；
• 支持10/100Mbps数据传输；
• 允许MAC与MAC之间的相互通讯；

接口信号

• 支持SMII接口的每个端口均有两组信号组成， 一组全局同步信号和 一组125MHz的参考时钟。所有的信号均与时钟同步。
• SMII接口共有4根引脚，引脚定义如下：
• RX：from PHY to MAC for Receive Data and Control
• TX：from MAC to PHY for Transmit Data and Control
• SYNC：from MAC to PHY for Synchronization
• CLOCK：from System to MAC&PHY for Synchronization
• MAC和PHY端均需要提供参考时钟。

信号速率和带宽

• SMII接口工作频率最高为125MHz，数据通路为 1位并行通路，由于SMII接口上传送的信号包含控制与状态信息，故信号带宽最高为 125 * 1 * 80% = 100Mbps。
• SMII接口可以向下兼容，SMII接口支持100Mbps和10Mbps的带宽。

编码方式以及对应的传输帧格式

• 接收路径：接收数据域控制信号的相关信息在RX数据线上传输。在100Mbps速率下，RX数据线上每串行传输10位数据称为一个segment，每传输 一个segment代表传输了一个字节数据。在10Mbps速率下，每个segment会重复传输10次，每传输10个segment代表传输了1个字节的数据。 MAC端可以采样10个segment中的任意一个。segment之间的分界依靠SYNC信号，即SYNC信号每隔10个Clock就产生一个脉冲。RX数据线上传输的控制信息与标准MII接口相同。RXD7-0可以传输数据，RX_ER以及PHY的状态信息。
• 发送路径：发送数据域控制信号的相关信息在TX数据线上传输，其传输机制与RX相同。
• 冲突检测机制：当CRS位与TX_EN位同时有效时，意味着冲突的出现，在这种情况下，PHY应该能保证在冲突出现时，其发送路径应不受影响。

应用环境

• SMII接口互连：允许MAC间通过SMII接口互连通信。
• 10/100Mbps自适应收发器模块：实现不同媒介百兆PHY同百兆MAC之间的连接。

GMII（Gigabit Media Independent Interface）

参考标准

• 《IEEE Std 802.3 -2002》

接口描述

• GMII接口是一个工作在 125Mhz时钟下的8/10比特宽的数据总线接口。GMII由两个独立的数据通道、接收和发送各个数据通道的控制信号、网络状态信号、各个数据通路的时钟信号以及管理接口信号组成。 在GMII中有一个在1000Mb/s速度工作时使用的独立时钟信号，协调子层接口使各种更高速度的PHY可以连接到千兆位MAC引擎上。
• GMII（千兆媒质无关接口）接口是在MII接口的基础上发展而来。提供了一种简单，可以容易实现互联且成本低的千兆接口，在MAC和PHY之间提供一条千兆位速率的通路。
• 工作能力达到 1000Mb/s。
• 独立的 8位数据收发通道。
• 数据需要时钟同步。
• 提供一个简单管理接口。
• 支持通用的CMOS接口和部分双极性期间接口。
• 提供全双工操作，不支持半双工。
• 提供向下兼容，兼容MII接口和TBI接口。
• 兼容10M以及100M传输速率。

接口信号

• GMII接口为点对点连接，信号线有GTXCLK、RXCLK、TXD[0:7]、RXD[0:7]、TXER、TXEN、COL、RXER、RXDV、CRS，一共24根信号线。
• 其中COL和CRS信号和时钟无关，其余信号是时钟同步信号。
• GMII规范规定，GMII接口同MII接口以及TBI接口共享信号线，信号对应方式如下：GMIIMIITBITX_ERTX_ERTX

信号速率以带宽

• GMII接口工作频率最高为125MHz，数据通路为8位并行通路，且GMII接口上传送的信号不需要经过编码，故信号带宽最高为 125 * 8 = 1000Mbps。
• 由于GMII接口要向下兼容，故GMII接口必须支持1000M、100M、10M的工作带宽。在不同的工作带宽下，接口信号的工作频率为：

工作带宽时钟频率数据位宽使用的信号线1000M125MHZ8bitTXD[7:0]，RXD[7:0]100M25MHz4bitTXD[3:0]，RXD[3:0]10M2.5MHz4bitTXD[3:0]，RXD[3:0]

信号编码方式

• GMII接口是基于MII接口的，在数据传输中不对数据进行编码，TXD、RXD数据线直接传送原始数据。控制信息由TXEN、TXER、RXDV、RXER、COL、CRS信号传送。
• GMII传送帧格式为：

• GMII

GMII传送帧格式

• GMII接口发送和接收数据位都是8位宽度，故一个时钟周期可以传输和接收一个字节的数据。

应用环境

• 实现不同媒质千兆PHY同千兆MAC之间的连接，GMII仅支持板上连接，可以通过PCB板在有限的距离内实现连接，不支持使用电缆连接。

RGMII（Reduced Gigabit Media independent interface）

参考标准

• Reduced Gigabit Media Independent Interface，HP Company，V2.0 2002.4.1

接口概述

• RGMII接口提供了MAC与PHY之间的一种连接选择。只需要12根信号线就可以完成GMII接口所能完成的功能。为了达到减少管脚的目的，其数据以控制信号的时钟参考沿改变为DDR的形式。

接口信号

• RGMII接口共12根信号线，发送时钟数据信号线1根，发送数据信号线4根，发送控制信号线1根，接收时钟数据信号线1根，接收时钟信号线4根，接收控制信号线1根。

信号名信号流向信号描述TXCfrom MAC to PHY发送时钟信号。速率为1000M时，频率为125MHz；速率为100M时，频率为25MHz；速率为10M时，频率为2.5MHz。TD[3:0]from MAC to PHY发送数据信号，在时钟上升沿时为bit[3:0]，时钟下降沿时为bit[7:4]TX_CTLfrom MAC to PHY发送控制信号，在时钟上升沿时为TXEN，时钟下降沿为TXERR。RXCfrom PHY to MAC接收时钟信号。速率为1000M时，时钟频率为125MHz；速率为100M时，速率为25MHz；速率为10M时，速率为2.5MHz。RD[3:0]from PHY to MAC接收数据信号，在时钟上升沿时为bit[3:0]，时钟下降沿时为bit[7:4]RX_CTLfrom PHY to MAC接收控制信号，在时钟上升沿时为RXDV，时钟下降沿为RXERR。

• CLK延时：对于RGMII接口，在信号的发送端，时钟和数据是同时变化，但是在数据的接收端，数据在时钟的上升或下降沿采样，故要求在PCB布线时，CLK信号要比数据信号多引入大于1.5ns，小于2ns的时延。

速率信号与带宽

• 当RGMII接口工作于千兆模式时，RGMII接口的时钟信号为125MHz，由于采用DDR的接口形式，故数据速率将乘以2。由于有4根数据线，故 单向的数据带宽为1000M。当工作于 全双工模式时， 双向带宽为2000M。
• RGMII同时也支持百兆和十兆速率，此时的时钟频率分别为25MHz和2.5MHz。在百兆速率情况下，速率是千兆的十分之一，但时钟是千兆的五分之一，当时钟处于下降沿时，数据会进行一次复制，相当于一个时钟周期还是只传输一次数据，故最终速率还是百兆。百兆速率同百兆也采用这个的方式。

编码方式及对应传输帧格式

• RGMII接口的编码形式同GMII接口。不同点主要在于：
• RGMII采用双沿采样，在上升沿时，传送的数据为bit[3:0]，在下降沿时，传送的数据为bit[7:4]。
• 发送控制信号在上升沿时代表的含义为TXEN，在下降沿时代表的数据为TXERR；接收控制信号在上升沿时代表的含义为RXDV，在下降沿时代表的含义为RXERR。
• 为了简化对PHY端的LINK、双工和速率的检测，RGMII允许在PHY通过RXD[7:0]传递inter-frame给MAC端，MAC端通过inter-frame内容可以获取PHY的LINK、双工、速率信息。inter-frame是内部的控制管理帧， 仅在RX_CTL为0的情况下生效。该功能在RGMII规范中是可选的，需要MAC端和PHY端都支持该功能。由于是非强制标准，为了避免兼容性问题出现，实际开发过程中一般都会选择直接从PHY端寄存器获取LINK、速率和双工信息。

应用环境

• RGMII接口应用于千兆MAC和千兆PHY之间的连接。

XAUI（10 Gigabit Attachment Unit Interface）

参考标准

• 《IEEE Std 802.3 ae-2002》

接口概述

• XAUI接口的形成基于XGMII（10 Gigabit Media Interface）接口，即 将32位并行数据转换为4对Serdes通道的8位数据（8根数据线转换为一组serdes）。由于XGMII接口信号线太多，不利于PCB走线，因此很多支持10Gbps数据传输的MAC芯片和PHY芯片之间接口选择采用XAUI接口。 XAUI仅支持全双工操作。

信号数量

• XAUI接口是递增幅AC耦合差分接口。AC耦合允许互连器件之间采用不同的供电电压。低振幅差分信号可达到抑制噪声与改善EMI（电磁干扰）的效果。
• XAUI接口为点对点连接， 由8对差分信号组成，其中4对发送，4对接收。
• SLn 为发送信号（MAC->PHY）；DLn 为接收信号（PHY->MAC）；n = 0，1，2，3
• XAUI接口不提供单独的时钟信号，驱动器通过采用8/10bit编码方式把时钟信号嵌入到数据流中，接收器需从数据流中提取这个时钟信号进行数据同步。所以，支 持XAUI接口的MAC芯片一般要求提供一对差分时钟信号作为参考时钟。

信号速率与带宽

• XAUI接口支持4通道，每个通道信号速率为3.125 Gbps +- 100ppm。
• 带宽为3.125 x 4 = 12.5Gbps，但 由于XAUI接口采用8/10B编码，即传输一个字节需要占用10位，因此纯数据带 宽占用率为80%，即 12.5 x 80% = 10Gbps。

编码方式

• XAUI接口基于XGMII接口， 将32位并行数据转换为4通道的8位数据。XAUI接口与XGMII接口均采用8B/10B编码方式，IEEE 802.3ae-2002针对XGMII接口对8B/10B的编码原理介绍。
• 8/10B编码将8位并行数据转换为直流均衡（dc balanced）的10位串行数据流，从而有效减少信号的衰弱。直流均衡就是将数据流中1与0的个数相等，其最大的运转周期为5。当10为编码中1与0个数不相等时，其偏差将在下一个10位编码中补齐，以保证整个数据流的直流均衡。这也是为何某些8位并行数据对应2个10位串行编码的原因。
• XGMII传输帧格式如下。

应用环境

1. 背板级连接：用于高带宽要求的插卡式串行背板交换架构中，使用中需要使用连接器连接。
2. 万兆光模块应用：对于超短距离应用，XAUI可以直接驱动并行光模块。对于需要单光纤连接，可以采用波分复用模块实现。对于较长举例应用，需要物理媒质福建和物理编码内层来处理数据，并将数据打包放到SONET帧中。

SerDes（SERializer/DESerializer）

接口概述

• Serdes是serialiseriali/deserializer （串行器/解串器）的简称，是一种时分多路复用（TMD）、点对点的通讯技术，即将 发送端的多路低速平行讯号转换成高速串列讯号，最后在接收端将高速串行信号转换为低速平行讯号。这种点对点的串列通讯技术充分利用传输媒体的讯息通道容量，减少所需的传输信息通道和元件接脚数目，因而大幅降低通讯成本。随着对流量需求的不断成长，传统平行界面成为传输速率的瓶颈，串行通讯拘束serdes正取代平行信号成为主流。
• 基于serdes的高速串列界面采用一下措施突破了传统平行界面的数据传输瓶颈：
• 采用差分信号传输代替单端讯号传输，因而增强了抗噪音、抗干扰能力。
• 采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟，因而解决了限制数据传输速率的讯号时钟偏移的问题。

信号数量

• serdes接口由两对差分信号线组成，一对发送一对接收。

信号电平

• LVDS和CML是Serdes接口最常用的两种差分信号电平标准。

信号速率与带宽

• serdes通讯速率一般可以设置为1.0~3.125Gbps之间，用户可 通过选择serdes通道组数及通道数据速率来获取不通的带宽需求。如四通道的serdes单元，可以在每个方向以高达12.5Gbps的速度传输，或者获得最高25Gbps的全双工带宽。

编码方式及对应传输帧格式

• 目前常用的serdes接口采用8/10B编码方式。

应用环境

• XAUI接口由4组通讯速率为3.125Gbps的serdes接口组成，SFP接口由1组通讯速率为1.25Gbps的serdes接口组成。

SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）

参考标准

• Cisco Systerms，Inc Serial-GMII Specification。Revision 1.7，2001.7.19

接口概述

• SGMII接口的含义为串行的GMII接口。

接口信号

• SGMII接口包含两对差分数据信号，1对发送，1对接收； 以及两对差分时钟信号，一对发送，一对接收。若数据数据接收端的器件自身可以从数据流中恢复出时钟，则其数据的参考时钟可以不使用。大部分产品中使用SGMII接口的器件均可以从数据中恢复出时钟。

信号速率与带宽

• SGMII接口使用8B/10B编码形式，将控制信号嵌入数据信号中，所以其数据线上的速率由1G上升为1.25G。SGMII接口的带宽为单向1G，全双工2G。

编码方式及对应传输帧格式

• SGMII接口使用1000BASE-X编码方式来传送数据和控制信号。
• 8B/10B编码的重要在于，其数据码流中包含了足够的电平转变，使得从数据流中恢复时钟成为了可能。8B/10B这种编的数据若出现了单位或多位错误，在接收端有可能直接被检测出来。
• SGMII接口的MAC侧 通过检测数据流中的控制代码来恢复出GMII接口规范中定义的控制信号。如检测S及T码字来恢复出RX_DV信号，通过检测V码字来恢复出RX_ER信号。
• SGMII接口需要通过1000BASE-X的自动协商功能使得MAC和PHY之间建立起稳定的连接关系。SGMII的自动协商与802.3的clause 37中定义的1000BASE-X自动协商的 方法相同。但SGMII接口的自动协商的内容和1000BASE-X中的自动协商的编码 内容有所不同。
• PHY将tx_config_reg[15：0]的内容通过自动协商的方式通知MAC；MAC在获得了PHY的连接状况后，将tx_config_reg[15：0]中的bit14置为1，发送给PHY，表明已经更新了连接的状态。
• 自动协商中的link_timer的数值从10ms修改1.6ms。当介质接口的 连接状态改变时，SGMII的自动协商功能也要重新启动，以更新连接的速率和双工信息。

应用环境

• SGMII接口应用与需要千兆连接而对信号线的数目有限制的场景。由于 SGMII接口的编码形式和Serdes（fiber）接口相同，而信号电平类似。所以很多芯片的SGMII接口和Serdes接口使用相同的管脚，方便了面向不同应用形式。

SFP（Small From-factor Pluggable）

参考标准

• SFP MSA

接口概述

• SFP MSA规范定义的 SFP接口主要针对千兆速率数据通讯如光纤通道和千兆以太网应用（gigabit rate datacom applications such as fiber channel and gigabit etherent），由于其较GBIC接口体积小的优势，大大减小了硬件布板面积，从而提高端口密度。SFP光模块采用LC接头；GBIC光模块采用SC接头，LC接头的截面只有SC接头的一半。SFP MSA规范指出可根据SFP模块的颜色来区分其支持的光纤模式， 黑色或褐色为多模，蓝色为单模。

接口信号

• SFP接口共有20根引脚。

信号速率与带宽

• SFP接口仅支持单通道，其信号速率为1.25Gbps。

编码方式以及对应的传输帧格式

• 采用8B/10B编码方式。

应用环境

• 主要针对千兆速率数据通讯，如光纤通道和千兆以太网应用。

SPF+（Small From-factor Pluggable Plus）

Original: https://blog.csdn.net/qq_41323475/article/details/124907800
Author: 換個名字試試
Title: 以太网接口总线类型笔记