MAC与PHY之间的接口标准 MII/GMII

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Media Independent Interface ( MII )，介质独立接口，起初是定义100M以太网（Fast Ethernet）的 MAC 层与 PHY 芯片之间的传输标准（802.3u）。介质独立的意思是指，MAC与PHY之间的通讯不受具体传输介质（双绞线或光纤等）的影响，任何MAC和PHY均可以经过MII接口互连。

MAC与PHY之间的MII链接能够是可插拔的链接器，或者是同一块PCB上MAC与PHY之间的走线。

MDIO 是MII接口的一部分，用于在MAC和PHY之间传递配置信息。在系统上电瞬间，PHY芯片经过管脚的电平状态肯定原始设置，进而经过MDIO更改配置。

最初MII定义数据 4 bit 发送+ 4 bit 接收，每位数据速率 25MHz ，总数据速率 100Mbps 。其它 MII 标准的变种，包括 RMII，GMII，RGMII，XGMII，SGMII，基本上都是定位于更高速率或者更少的信号数的目标，图1表示在以太网通讯层次模型中MII接口的位置。

 

 

 

 

图1. IEEE 802.3 标准（100Mbps +）

MII: Media Independent Interface

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MII接口信号包括三类，分别为：

• 发送端信号：TXCLK, TXD[0-3], TXEN, TXER
• 接收端信号：RXCLK, RXD[0-3], RXDV, RXER, CRS, COL
• 配置信号：MDIO, MDC

信号方向以下图所示，其中 TXER 为选配。MII 共计 18 根信号线，只有 MDIO/MDC 信号能够在不一样PHY间级联。假定系统中有 8 个PHY，则MII信号总数为 8*16 + 2 = 130 根！为减小信号数，RMII接口应运而生。

 

 

 

图2. MII Interface

RMII: Reduced Media Independent Interface

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相比于MII接口，RMII有如下四处变化：

• TXCLK 和 RXCLK 两个时钟信号，合并为一个时钟 REFCLK
• 时钟速率由 25MHz 上升到 50MHz，单向数据由 4 bits 变为 2 bits
• CRS 和 RXDV 合并为一个信号 CRSDV
• 取消了 COL 信号

RMII信号以下图所示。RMII只要 9 根信号线，相比于MII的 18 根信号可谓有很多的删减，在同一个系统中的多个设备能够共享 MDIO, MDC 和 REFCLK 信号线。

 

 

 

图3. RMII Interface

 

GMII: Gigabit Media Independent Interface

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GMII接口的数据速率可达 1000Mbps，其时钟频率为 125MHz ，单向数据位宽 8 bits。GMII向下兼容MII，能够像MII同样工做在 100Mbps 和 10Mbps 的数据速率。

GMII接口信号包括三类，分别为：

• 发送端信号：GTXCLK, TXCLK, TXD[0-7], TXEN, TXER
• 接收端信号：RXCLK, RXD[0-7], RXDV, RXER, CRS, COL
• 配置信号：MDIO, MDC

发送端包括两个时钟信号 GTXCLK 和 TXCLK，当设备工做于 1000Mbps 模式时，TXD, TXEN, TXER 是与 GTXCLK （125MHz）同步的，而在 10/100Mbps 工做模式时，以上数据信号是同步于由PHY提供的TXCLK 的，其中 100Mbps 时是 25MHz，10Mbps 时是 2.5MHz。接收端时钟只有一个时钟信号 RXCLK，它是从接收数据中恢复的时钟。

 

 

 

图4. GMII Interface

 

RGMII: Reduced Gigabit Media Independent Interface

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RGMII相比于GMII减少将近一半的管脚数（24 → 12），经过如下两种方式：

• 1000Mbps模式下，在时钟的上/下边沿均采样数据
• 取消不重要的如 CRS, COL 等信号

在RGMII接口中 MAC 在 TXC 上一直提供时钟信号，而不像在GMII接口中那样，10/100Mbps 模式下时钟是由 PHY 提供（TXCLK），而 1000Mbps 模式下时钟是由 MAC 提供（GTXCLK）。在RGMII中应用到源同步时钟，即数据与时钟信号是同步的。这要求在PCB设计中，要对时钟信号额外增长 1.5~2 ns 的延迟以保证接收端的创建/保持时间知足要求。在 RGMII v2.0 规范中有定义MAC/PHY内部延迟（RGMII-ID），由此避免PCB设计中再要增长这个延迟。

在RGMII接口中：

• 1000Mbps 模式，数据在时钟的上/下边沿均采样
• 10/100Mbps 模式，数据仅在时钟上升沿采样

RXCTL 和 TXCLT 为复用的传输控制信号。RXCTL 在时钟的上升沿表明 RXDV，在时钟的降低沿表明（RXDV xor RXER）；TXCTL 在时钟的上升沿表明 TXEN，在时钟的降低沿表明（TXEN xor TXER）。

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

 

 

 

图5. RGMII Interface

 

SGMII: Serial Gigabit Media Independent Interface

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SGMII发送和接收时钟频率均为 625MHz，采用 DDR 模式，所以数据速率为1.25Gbps。SGMII相比于GMII，功耗更低，采用 SerDes 接口后管脚数更少。SGMII发送和接受数据各 1 对差分信号（LVDS），另外还有 1 对差分时钟，共 6 根线。对于 MAC/PHY 中包括时钟恢复电路（CDR, Clock and Data Recovery circuitry ）的系统，TXCLK 能够省略，SGMII接口只须要 4 根线，相比于GMII（ 24 根）和RGMII（ 12 根）信号线大大减小！

TX/RX在数据发送端必须同时产生时钟，而接收端的时钟是可选的，由于能够经过 CDR 恢复时钟。在 10/100Mbps 工做模式下，数据分别重复发送 100/10 次，所以时钟always是 625MHz。

 

 

 

 

图6. SGMII Interface

 

 

 

图7. 4-Wire/6-Wire SGMII

XGMII: 10 Gigabit Media Independent Interface

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XGMII 是用于10G以太网的MAC与PHY设备间通讯的接口标准，它包括 32 bits 的数据通道（RXD & TXD），两组 4 bits 的控制通道（RXC & TXC）和两组时钟（收/发），时钟频率 156.25 MHz ，工做在 DDR 模式。图8表示XGMII接口的链接示意图，注意 RXD/TXD 信号上的 36 表示 32 bits 数据 + 4 bits 控制信号，其中每 8 bits 数据称为 1 个Lane，共用 1 路控制信号。

• 10 Gbps = 156.25 MHz * 32 bits * 2

XGMII信号数目（74 根）较多，一般用于芯片内的链接，不适合做为芯片间通讯的接口，所以协议定义XGXS（XGMII eXtender Sublayer）子层以缩减信号数目，简化硬件设计。XGXS 子层主要完成 8b/10b 编码和不一样Lane之间的去偏斜等功能。如图8所示，在信号链的两端，MAC和PHY 都包括XGXS子层，XAUI 是 XGXS 之间通讯的接口。

XAUI 接口包括4组发送差分对和4 组接收差分对，共 16 根信号。每组差分对（Lane）的数据速率为 3.125 Gbps，所以总的数据速率为 4 * 3.125 Gbps = 12.5 Gbps，考虑到8b/10b的效率为80%，所以实际数据速率为 12.5Gbps * 80% = 10 Gbps。

 

 

 

图8. XGMII Interface

XFI/XFP

 

XFI 是10G以太网 PMA（Physical Medium Attachment）和 PMD（Physical Medium Dependent）之间的接口标准，它只有两对差分线（收/发），共 4 根线，如图9所示。XFI 接口速度达到 10.3125 Gbps，采用 64B/66B 编码，在XAUI与XFI之间使用到 SerDes 以减少信号数。

 

 

 

图9. 10GbE Layer & Interface

XFP（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）是指应用XFI接口的光模块，应用于10G以太网的光传输。