【收藏】以太网MAC和PHY之间的接口总结

【收藏】以太网MAC和PHY之间的接口总结

2016-07-10 硬件十万个为什么

1、100M 接口（Fast Ethernet 快速以太网，也称百兆以太网）

FE速率模式下各种MII（MediaIndependent Interface）接口对比：

MII接口兼容10/100M以太网，由于占用管脚数太多，主要应用早期的设备接口中，在一般的高密度（8口）端口PHY以及MAC/switch芯片中已经很少使用。

RMII(reduced MII)接口收发的数据位宽为2bit，因此管脚数目大为减少，在高密端口PHY中应用较多，但是由于其是MAC和PHY共用一个参考时钟，接口之间的距离不能太远；

SMII(serial MII)接口收发数据位宽为1bit，另外还有参考时钟和同步信号，相对于RMII管脚更少，但依然是MAC和PHY共用一个参考时钟，接口之间的距离不能太远；

SSMII(serial sync MII)与SMII类似，只是收发采用单独的时钟和同步信号，虽然又多了两个管脚，但是由于其收发具有独立的随路时钟和同步信号，接口之间的传输距离可以更远；

MII接口:

TXD[3:0]：数据发送信号，共4根信号线；

RXD[3:0]：数据接收信号，共4根信号线；

TX_ER(TransmitError)：  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(ReceiveError)：  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(TransmitEnable)： 发送使能信号，只有在TX_EN有效期内传的数据才有效；

RX_DV(ReveiveData Valid)： 接收数据有效信号，作用类型于发送通道的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，只在半双工模式下有效。

MII接口一共有16根线(TX_CLK, RX_CLK未记入)。

RMII接口：

RMII即Reduced MII，是MII的简化板，信号线数量由MII的14根减少为7根(CLK_REF为外部时钟源)。

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

RX_ER(ReceiveError)：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，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。

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，知道FIFO中数据发送完为止。

SMII接口：

SMII即Serial MII，串行MII的意思，跟RMII相比，信号线数据进一步减少到3根；

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接口：

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。

SSSMII接口：

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.

MII接口信号列表

类型	信号	I/O（以MAC侧为主）	电平	描述	备注
MII	TX_CLK	I	LVTTL	发送时钟，100Mbps时为25MHz，10Mbps时为2.5MHz
	TX_ER	O	LVTTL	发送错误，指示发送的数据是错误的phy可以将其丢弃
	TX_EN	O	LVTTL	发送使能，表示当该信号有效时发送的数据是有效的
	TX_D[3:0]	O	LVTTL	发送数据
	RX_CLK	I	LVTTL	接收时钟，100Mbps时为25MHz，10Mbps时为2.5MHz
	RX_ER	I	LVTTL	接收错误，指示发送的数据是错误的phy可以将其丢弃
	RX_DV	I	LVTTL	接收数据有效
	RXD[3:0]	I	LVTTL	接收数据
	CRS	I	LVTTL	载体检测
	COL	I	LVTTL	冲突检测
RMII	REFCLK	O	LVTTL	参考时钟，100Mbps时为50MHz，10Mbps时为5MHz
	TX_EN	O	LVTTL	发送使能，表示当该信号有效时发送的数据是有效的
	TX_D[1:0]	O	LVTTL	发送数据
	CRS_DV	I	LVTTL	接收数据有效及载体检测
	RXD[1:0]	I	LVTTL	接收数据
	RX_ER	I	LVTTL	接收错误，指示发送的数据是错误的phy可以将其丢弃
SMII	REFCLK	O	LVTTL	参考时钟，100Mbps时为125MHz，10Mbps时为25MHz
	TX_D	O	LVTTL	发送数据
	RX_D	I	LVTTL	接收数据
	SYNC	O	LVTTL	同步信号
SSMII	TX_D	O	LVTTL	发送数据
	TX_CLK	O	LVTTL	发送时钟
	TX_SYNC	O	LVTTL	发送同步
	RX_D	I	LVTTL	接收数据
	SYNC	I	LVTTL	接收同步
	RX_CLK	I	LVTTL	接收时钟

2、1000M接口（GE：Gigabit Ethernet 千兆以太网 1Gbps）

GMII（Gigabit MII）GMII接口都可以向下兼容MII 接口，数据位宽8bit，共使用了24个管脚，类似于FE接口中的MII，在高密器件中一般不会使用；

RGMII（Reduced GMII）接口数据位宽4bit，管脚大为减少，其采用125MHZ时钟，在时钟的上下沿同时采样数据。

SGMII（Serial GMII）接口只有收发数据信号各一及一个接收时钟可选，信号速率较高，因此所有数据和时钟采用差分信号，如果MAC和PHY芯片都带时钟，则可以不需要单独的时钟信号，只需收发各一对差分信号即可，其采用625MHZ时钟。

TBI（Ten bitinterface）接口数据位宽10bit，相对于GMII接口的主要区别在于8B/10B的编解码，如果采用GMII 接口则编解码功能需要由PHY完成，如果是TBI接口则在MAC部分完成，其需要24个管脚，一般与GMII接口共享管脚。

RTBI（Reduced TBI）接口数据位宽5bit，其它与TBI接口类似，时钟为125MHZ。

GMII接口：

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。

RGMII接口：

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，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接口：

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。

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接口：

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。

类型	信号	I/O（以MAC侧为主）	电平	描述	备注
GMII	GTX_CLK	O	LVTTL	GMII接口发送时钟，125MHz，同步发送数据与控制信号，MII不使用	可选
	TX_CLK	I	LVTTL	发送时钟，MII为25MHz，10M MII为2.5MHz，GMII不使用	可选
	TX_ER	O	LVTTL	发送错误指示信号
	TX_EN	O	LVTTL	发送使能
	TXD[7:0]	O	LVTTL	发送数据，MII只使用[3:0]
	RX_CLK	I	LVTTL	接收时钟，GMII为125MHz，FE MII为25MHz，10M MII为2.5MHz
	RXER	I	LVTTL	接收错误指示信号
	RX_DV	I	LVTTL	接收数据有效信号
	RXD[7:0]	I	LVTTL	接收数据信号,MII只使用[3:0]
	CRS	I	LVTTL	载体检测
	COL	I	LVTTL	冲突检测
RGMII	TX_CLK	O	LVTTL	发送时钟，125MHz，上升下降沿采样
	TX_EN	O	LVTTL	发送使能
	TD[3:0]	O	LVTTL	发送数据
	RX_CLK	I	LVTTL	接收时钟，125MHz，上升下降沿采样
	RX_DV	I	LVTTL	接收数据有效
	RD[3:0]	I	LVTTL	接收数据
SGMII	RXD+/-	I	LVPECL	接收数据
	RCLK+/-	I	LVPECL	接收时钟，主要用于MAC没有接口时钟的情况下	可选
	TXD+/-	O	LVPECL	发送数据
TBI	GTX_CLK	O	LVTTL	发送时钟
	TX_CLK	I	LVTTL	发送参考时钟输入
	TX_ER	O	LVTTL	发送错误指示
	TX_EN	O	LVTTL	发送使能，表示发送的数据是有效的
	TXD[9:0]	O	LVTTL	发送数据
	RX_CLK+/-	I	LVTTL	接收时钟
	RX_ER	I	LVTTL	接收数据错误指示
	RX_DV	I	LVTTL	接收数据有效指示
	CRS	I	LVTTL	载体检测，检测载体上面是否有数据流
RTBI	GTX_CLK	O	LVTTL	发送时钟
	TX_EN	O	LVTTL	发送使能
	TXD[3:0]	O	LVTTL	发送数据
	RX_CLK	I	LVTTL	接收时钟
	RX_DV	I	LVTTL	接收数据有效
	RXD[3:0]	I	LVTTL	接收数据

10GE接口

XGMII（10 Gigabit MII）为32bit数据宽度，时钟采用156.25MHZ，上下沿采样。XGMII在PCB上的线长限制于7cm,当实现芯片到芯片接口时，XGMII使用HSTL（高速收发逻辑）电平，输出缓冲器电压是1.5v。

XAUI概念的提出主要是增大XGMII的扩展距离(可以扩展距离到50cm)，减少信号数量(收发各4个3.125gbps的差分信号),一般将XGMII接口的32bit数据分为四组，每组进行8B/10B编解码，转换成4路3.125G的CML串行信号，即XAUI接口，接收端可以从中恢复时钟；详见下述XGMII的OSI模型图和XGMII与XAUI接口之间的转接示意图；

     XGMII的OSI模型

XGMII与XAUI之间的转换模型

XGMII接口：

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 SpeedTransceiver 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接口：

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 unitinterface，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 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XGMIIà XAUI接口转换，如BCM8011等。

类型	信号	I/O（以MAC侧为主）	电平	描述	备注
XGMII	TXCLK	O	HSTL	连续的时钟流，TX_CLK为 MAC向PHY传送TXC<3：0>，TXD<31：0>信号提供定时参考，PHY在TX_CLK的上升沿和下降沿对TXC<3：0>，TXD<31：0>采样。 TX_CLK由MAC提供，时钟频率是156.25MHZ+/-0.01%,MAC发送数据速率的六十四分之一。
	TXC[3:0]	O	HSTL	TXC<3：0>表示MAC在XGMII上发送的是数据还是控制字符。当TXC为0时，表示相应lane上发送的是数据。当TXC为1时，表示发送的是控制字符。 TXC<3：0>由MAC驱动，变化同步于TX_CLK的上下边沿。
	TXD[31:0]	O	HSTL	TXD是一组由MAC驱动的32位数据信号，分成4个lane，每个 lane有 8位信号; 在TXC_CLK的上升沿和下降沿，PHY对TXD<31：0>采样发送。当TXC为0时，PHY产生lane上TXD数据的相应编码组。TXC为1时，lane上插入适当的TXD数值，PHY将产生空闲、起始、结束、序列、错误控制字符的相应编码组。
	RXCLK	I	HSTL	RX_CLK为 PHY向MAC传送TXC<3：0>、TXD<31：0>信号提供定时参考，MAC在RX_CLK的上升沿和下降沿对RXC<3：0>、RXD<31：0>采样。 RX_CLK由PHY提供，时钟频率是MAC接收数据速率的六十四分之一。
	RXC[3:0]	I	HSTL	RXC<3：0>表示PHY恢复编码数据流在XGMII上提供的是数据还是控制字符。当相应lane接收到数据8位组时，对应的RXC清0，当接收到控制字符时，对应的RXC置1。RXC<3：0>由PHY驱动，跳变同步于RX_CLK的上升沿和下降沿。
	RXD[31:0]	I	HSTL	RXD是一组由PHY驱动的32位数据信号，分成4个lane，每个 lane 8位信号; 在RXC_CLK的上升沿和下降沿，RS对接收送到RXD<31：0>上的数据、控制字符映射到MAC服务原语。当RXC为1时，在lane上插入适当的RXD数值向MAC指示起始控制字符、结束控制字符、序列控制字符、错误控制字符。 RXC置1时，适当的错误控制字符在RXD上编码表示在PHY向MAC传送数据帧时有错误发生。
XAUI	TXD+[3:0]	O	CML	发送数据正极
	TXD-[3:0]	O	CML	发送数据负极
	RXD+[3:0]	I	CML	接收数据正极
	RXD-[3:0]	I	CML	接收数据负极