MAC和PHY之间的接口概述

MII

介质独立接口(Medium Independent Interface, MII)是IEEE 802.3定义的以太网行业标准，介质独立表示在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。MII可以工作在10M/100M下，它包括MAC和PHY之间的一个数据接口和一个管理接口。
数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道，每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16根线。
管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。MII管理接口只有两条信号线。

MII接口图

TXD(Transmit Data)[3:0]： 数据发送信号，共4根信号线；

RXD(Receive Data)[3:0]：数据接收信号，共4根信号线；

TX_ER(Transmit Error)： 发送数据错误提示信号，同步于TX_CLK，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，TX_ER不起作用；

RX_ER(Receive Error)： 接收数据错误提示信号，同步于RX_CLK，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，RX_ER不起作用；

TX_EN(Transmit Enable)： 发送使能信号，只有在TX_EN有效期内传的数据才有效；

RX_DV(Reveive Data Valid)： 接收数据有效信号，作用类似于发送通道的TX_EN；

TX_CLK：发送参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。注意，TX_CLK时钟的方向是从PHY侧指向MAC侧的，因此此时钟是由PHY提供的。

RX_CLK：接收数据参考时钟，100Mbps速率下，时钟频率为25MHz，10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz。RX_CLK也是由PHY侧提供的。

CRS：Carrier Sense，载波侦测信号，不需要同步于参考时钟，只要有数据传输，CRS就有效，另外，CRS只有PHY在半双工模式下有效；

COL：Collision Detectd，冲突检测信号，不需要同步于参考时钟，只有PHY在半双工模式下有效。

特点

MII支持10M/100M，由16根线组成，它的支持还是比较灵活的，但是有一个缺点是因为它一个端口用的信号线太多，一般按照这个线的数量做交换机，是不太现实的，所以现代的交换机的制作都会用到其它的一些从MII简化出来的标准，比如RMII、SMII、GMII等。

RMII

RMII(Reduced MII)是简化版MII，连线数量由MII的16根减少为8根，所以它一般要求是50M的总线时钟。RMII一般用在多端口的交换机，它不是每个端口安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发，这里就节省了不少的端口数目。RMII的一个端口要求7个数据线，比MII少了一倍，所以交换机能够接入多一倍数据的端口。和MII一样，RMII支持10M/100Mbps。

RMII接口图

TXD[1:0]：数据发送信号线，数据位宽为2，是MII接口的一半；

RXD[1:0]：数据接收信号线，数据位宽为2，是MII接口的一半；

TX_EN(Transmit Enable)：数据发送使能信号，与MII接口中的该信号线功能一样；

RX_ER(Receive Error)：数据接收错误提示信号，与MII接口中的该信号线功能一样；

CLK_REF：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。

CRS_DV：此信号是由MII接口中的RX_DV和CRS两个信号合并而成。当介质不空闲时，CRS_DV和RE_CLK相异步的方式给出。当CRS比RX_DV早结束时(即载波消失而队列中还有数据要传输时)，就会出现CRS_DV在半位元组的边界以25MHz/2.5MHz的频率在0、1之间的来回切换。因此，MAC能够从CRS_DV中精确的恢复出RX_DV和CRS。

在100Mbps速率时，TX/RX每个时钟周期采样一个数据；在10Mbps速率时，TX/RX每隔10个周期采样一个数据，因而TX/RX数据需要在数据线上保留10个周期，相当于一个数据发送10次。

当PHY层芯片收到有效的载波信号后，CRS_DV信号变为有效，此时如果FIFO中还没有数据，则它会发送出全0的数据给MAC，然后当FIFO中填入有效的数据帧，数据帧的开头是“101010—”交叉的前导码，当数据中出现“01”的比特时，代表正式数据传输开始，MAC芯片检测到这一变化，从而开始接收数据。

当外部载波信号消失后，CRS_DV会变为无效，但如果FIFO中还有数据要发送时，CRS_DV在下一周期又会变为有效，然后再无效再有效，直到FIFO中数据发送完为止。在接收过程中如果出现无效的载波信号或者无效的数据编码，则RX_ER会变为有效，表示物理层芯片接收出错。

SMII

SMII(Serial MII)是由思科提出的一种媒体接口，它有比RMII更少的信号线数目。它分别只用一根信号线发送和接收数据，所以在时钟上为了满足100的需求，它的时钟频率很高，达到了125兆，为什么用125兆，是因为数据线里面会传送一些控制信息。SMII一个端口仅用4根信号线完成100Mbps的传输，比起RMII差不多又少了一倍的信号线。SMII在工业界的支持力度是很高的。同理，所有端口的数据收发都公用同一个外部的125M时钟。

SMII接口图

TXD：发送数据信号，位宽为1；

RXD：接收数据信号，位宽为1；

SYNC：收发数据同步信号，每10个时钟周期置1次高电平，指示同步。

CLK_REF：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？因为在每8位数据中会插入2位控制信号，请看下面介绍。
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。见下表：

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。

SSMII

SSMII即Serial Sync MII，叫串行同步接口，跟SMII接口很类似，只是收发使用独立的参考时钟和同步时钟，不再像SMII那样收发共用参考时钟和同步时钟，传输距离比SMII更远。

SSMII接口图

SSSMII

SSSMII即Source Sync Serial MII，叫源同步串行MII接口，SSSMII与SSMII的区别在于参考时钟和同步时钟的方向，SSMII的TX/RX参考时钟和同步时钟都是由PHY芯片提供的，而SSSMII的TX参考时钟和同步时钟是由MAC芯片提供的，RX参考时钟和同步时钟是由PHY芯片提供的，所以顾名思义叫源同步串行。

SSSMII接口图

GMII

与MII接口相比，GMII的数据宽度由4位变为8位，GMII接口中的控制信号如TX_ER、TX_EN、RX_ER、RX_DV、CRS和COL的作用同MII接口中的一样，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)。

在这里有一点需要特别说明下，那就是发送参考时钟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芯片提供给MAC芯片的，而GMII接口中的GTX_CLK是由MAC芯片提供给PHY芯片的。两者方向不一样。

在实际应用中，绝大多数GMII接口都是兼容MII接口的，所以，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，前面已经说过了)，在用作MII模式时，使用TX_CLK和8根数据线中的4根。

GMII接口图

RGMII

RGMII即Reduced GMII，是RGMII的简化版本，将接口信号线数量从24根减少到14根(COL/CRS端口状态指示信号，这里没有画出)，时钟频率仍旧为125MHz，

RGMII接口图

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]。RGMI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。

SGMII

SGMII即Serial GMII，串行GMII，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。

SGMII接口图

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，关于8B/10B变换知识，我后续会单独介绍。

TBI

TBI即Ten Bit Interface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，前面已经说过了)，另外，RX_CLK+/-是从接收数据中恢复出来的半频时钟，频率为62.5MHz，RX_CLK+/-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。RX_CLK+/-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。

RTBI

RTBI即Reduced TBI，简化版TBI，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。

万兆以太网接口的端口速率为10Gbps，主要有XGMII和XAUI两种，另外还有HIGIG，不过HIGIG是Broadcom公司的私有标准，这里暂不介绍。

XGMII

TXD[31:0]：数据发送通道，32位并行数据。

RXD[31:0]：数据接收通道，32位并行数据。

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。156.25MHz * 2 * 32 = 10Gbps 。

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。

XGMII接口共74根连线，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。HSTL即High Speed Transceiver Logic，高速发送逻辑的意思。SSTL，即Stub Series Terminated Logic，短路终止逻辑，主要用于高速内存接口，SSTL目前存在两种标准，SSTL_3是3.3V标准；SSTL_2是2.5V标准。

XAUI

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10 Gigabit attachment unit interface，10G附属单元接口，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 Extender Sublayer)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。