PHY芯片 AR8033 学习笔记

【芯片简介】

    AR8033是Atheros公司的第4代10/100/1000Mbps速率以太网PHY芯片，可用于家庭网关、企业交换机、移动基站、光模块等设备。该芯片采用RGMII协议或SGMII协议与MAC芯片进行通信，只需要单一3.3V电源供电，可自行整流变换出片内电路所需其它电源。AR8033还内置了一个工作频率为1.25GHz的SerDes接口，可以直接与光纤收发模块连接，将光信号转换为适用于1000BASE-X/100 BASE-FX传输模式的电信号或用于与MAC芯片通信的SGMII协议电信号。

PHY芯片在OSI协议栈中属于最底层的物理层，与其它层的关系图如下：

图1 PHY芯片的工作位置处于OSI底层

    从硬件上来说，一般PHY芯片为模数混合电路，负责接收电、光这类模拟信号，经过解调和A/D转换后通过MII接口将信号交给MAC芯片进行处理。一般MAC芯片为纯数字电路。

 

 

【SerDes接口】

    SerDes是SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的简称。它是一种主流的时分多路复用（TDM）、点对点（P2P）的串行通信技术，即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体（光缆或铜线），最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。

 

 

【RGMII接口】

    RGMII即Reduced GMII，是GMII的简化版本。它的接口信号线数量为14根（COL/CRS端口状态指示信号，这里没有画出），时钟频率为125MHz，TX/RX数据宽度为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]。RGMII兼容100Mbps和10Mbps两种速率，此时参考时钟速率分别为25MHz和2.5MHz。

图2 RGMII接口

    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，是PHY与MAC之间的接口，时钟频率625MHz，收发各一对差分信号线，所以总的数据速率为1.25Gbps = 625Mbps* 2。GMII和RGMII都是并行的，而且需要随路时钟，PCB布线相对麻烦，不适于背板应用；而SGMII是串行的，不需要提供另外的时钟，MAC和PHY使用CDR来恢复时钟。参考时钟RX_CLK由PHY提供，是可选的，在时钟信号的上升沿和下降沿均发生采样，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。

图3 SGMII接口图

    在TXD发送的串行数据中，每8bits数据会插入TX_EN/TX_ER 的2bits控制信息，同样，在RXD接收数据中，每8bits数据会插入RX_DV/RX_ER 的2bits控制信息，称作8B/10B编码。

 

 

【MDC/MDIO接口】

    接口有MDC和MDIO两条线。其中MDC上是由MAC提供的参考时钟信号，MDIO则是可双向传输的配置数据线，配合MDC时钟进行异步传输。AR8033的MDIO接口是开漏输出，所以在使用时需要外部上拉1.5k电阻。MDIO数据帧的组成如下：

图4 MDIO数据帧结构

各字段的含义如下：

PRE        对MDC时钟信号的回复，用于校正异步传输时钟，内容为32个数字1。

ST          数据帧开始标识。

OP          操作码，10表示读数据，01表示写数据。

PHYAD   PHY芯片的物理地址，共5位，其中3位可以在AR8033内部进行配置。

REGAD  寄存器地址，共5位，用于选中PHY芯片内的32个寄存器之一。

TA                 用于防止在数据传输期间建立新的连接，共2位。读操作期间第1位为高阻态，第2位为0；写操作期间第1位为1，第2位为0.

DATA     表示 从寄存器读到的数据 或 向寄存器写入的数据，共16位。从高位开始传输。

IDLE      帧间空闲信号，呈高阻态。相邻两个数据帧之间至少要有1个时钟的空闲信号。

 

 

【工作模式配置】

    AR8033可以工作在3种模式类别下：电口模式、光口模式、光电转换器模式。根据4根模式选择引脚上电平的不同可以将AR8033配置到不同的工作模式。官方文档描述如下：

图5 模式选择引脚

图6 光口模式的引脚电平情况

    从文档中可以看到，当我们希望AR8033工作在1000Mbps光口模式时，应该把RX_DV、RXD2、RX_CLK、RXD3这4个引脚的电平下拉和上拉为0010的情况。同理，要工作在100Mbps光口模式则可以将电平设置为0110或1110。

 

 

【应用示例】

    我们可以使用AR8033对光口进行管理。根据官方数据手册描述，可以采用如下结构：

图7 AR8033光纤模块系统框图

    从框图中可以看出，当AR8033芯片用于光纤模块管理时，需要配置成100BASE-FX模式或1000BASE-X模式，与交换机芯片之间的数据传输采用RGMII协议。实际应用时，AR8033的工作模式直接由主控芯片通过MDC/MDIO总线进行配置；数据传输路径是AR8033传递给交换芯片，再由交换芯片传递给主控芯片。示意图如下：

图8 AR8033应用示意图

    在示意图中可以看到，光模块芯片AR8033与交换芯片之间的数据传输使用RGMII协议，交换芯片与主控芯片之间的数据传输使用SGMII协议。

 

 

【代码分析】

    关于 AR8033 的设备和驱动注册流程和代码之前是写在这里的，但是感觉内容与标题相互比较独立，所以单独拿出来作一篇文章《PHY芯片 AR8033驱动代码分析》。