RTL8211E应用（二）之信号输入、输出接口

网络通信路径常可总结为：网络数据–>RJ45接口–>网络变压器–>网络PHY芯片–>MAC–>CPU，如图1。其中网络变压器到PHY之前传输接口一般为MDI，而PHY到MAC之前的传输接口一般包括有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等，下面我们以RTL8211E为例对网络通信路径接口做一次梳理与总结：

对应于RTL8211E，在物理网线与RTL8211E之间，主要通过MDI接口传输，而对于RTL8211E与MAC之前的通信接口会随RTL8211E的版本不同，会有些许差异，RTL8211E-VB-CG为RGMII接口，而RTL8211EG-VB-CG则是除RGMII接口外还具备MII、GMII接口。
以下则具体介绍这几类接口 ：
（1）MDI的全称 Medium Dependent Interface ，网络上给的翻译是介质相关接口。在 hub 或 switch 中有两种接口，分别叫 MDI port和 MDI-X port， MDI port 也叫做级联端口（ uplink port ），是 hub 或 switch 之间相互连接的端口。 MDI port和 MDI-X port 之间最大的区别在于， MDI port内部发送数据线和接收数据线没交叉， 而MDI-X port 内部发送数据线和接收数据线是交叉的，这个X代表交叉的意思。
　　下图示意了hub或switch内部的结构，transmit代表发送数据线，receive代表接收数据线，两者在内部交叉着。

（2）MII接口
MII是英文Medium Independent Interface的缩写，翻译成中文是“介质独立接口”，该接口一般应用于MAC层和PHY层之间的以太网数据传输，也可叫数据接口。

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。
MII接口一共有16根线。

（2）RMII接口

RMII即Reduced MII，是MII的简化板，连线数量由MII的16根减少为8根。
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。

（3）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。
（4）RGMII接口

GMII即Reduced GMII，是GMII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。