【以太网硬件二十】USXGMII是什么？-Part1

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概览

功能框图描述

XGMII接口和数据包

XGMII接口信号

XGMII数据流

XGMII信号传输示例

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        先来回顾一下以前讲过的各种媒体独立接口：

        MII：连接MAC和PHY的媒体独立接口，数据位宽4bit，支持速率10/100Mbit/s。

        GMII：千兆媒体独立接口，数据位宽8bit，向下兼容MII，当兼容MII时，只使用低4bit数据线，支持速率10/100/1000Mbit/s。

        SGMII：串行千兆媒体独立接口，连接千兆PHY和MAC，serdes速率1.25Gbps，思科定的规范，ENG-46158。

        QSGMII：四路串行千兆媒体独立接口，连接四端口千兆PHY和MAC，serdes速率5Gbps，思科定的规范，EDCS-540103。

        USGMII：通用串行千兆媒体独立接口，是SGMII和QSGMII的扩展规范，可向后兼容，还支持连接4端口或8端口千兆PHY和MAC，serdes速率5Gbps或10Gbps，思科定的规范，EDCS-1155168。

        USXGMII：通用串行10G媒体独立接口，支持连接多端口、多速率PHY和MAC，思科定的规范，EDCS-1150953。

        本文讲述USXGMII，下面先贴一张该接口的连接示意图，有个直观的认识：

        从上图可以看到USXGMII可以连接单端口PHY，支持端口速率从10M到10G，也可以连接4端口PHY，支持端口速率从10M到2.5G，还可以支持2端口PHY，支持端口速率从10M到5G。通过以上端口数量和速率的分布，可以知道USXGMII支持的最大数据速率约为10G，之所以说是约为10G，是因为serdes里面会有一些编码开销，后面会说明。

概览

        USXGMII链路由收发各一对差分对组成，用来在单端口或多端口PHY和MAC之间传递数据帧和link速率等控制信息，USXGMII serdes的最大速率由外部端口最大速率决定，一般是有5G和10G两种serdes速率，如下图：

        UXSGMII还有如下特性：

        1、只支持全双工；

        2、支持传输PTP时间戳；

        3、支持所有速率的硬件辅助自动协商；

        3、支持灵活地在前导码的扩展字段中添加新功能。

        注意：

        1、UXSGMII只支持10G和5G两种serdes速率，如果要直接出光口，只能出10Gbase-R，如果想要出1000base-x或者2500base-x，只能通过PHY转，不能直接出。

        2、10M电口也是可以从PHY出的，上表中没有列出来，如果是单端口10M，那5G-USXGMII就要将端口报文复制500份，10G-USXGMII就要将端口报文复制1000份。

功能框图描述

        USXGMII直接沿用了IEEE 803.2 clause 49中定义的64B/66B PCS。PCS功能框架保持不变，另外通过IEEE定义的“有序集”机制添加了额外的功能。      

        ASIC侧（比如CPU）的USXGMII模块包含的组成部分如下：

        1、10G和1G MAC模块，出XGMII和GMII标准接口，其中GMII接口会在速率自适应模块被映射到XGMII；

        2、沿用自802.3 clause 49中10Gbase-R的PCS模块，新增了一些ordered sets；

        3、自协商处理模块；

        4、5.15625/10.325Gbps SERDES PMA模块。

        PHY侧的USXGMII模块包含的组成部分如下：

        1、系统侧的PMA、PCS、速率自适应模块与前面说的ASCI中包含的相关模块一样，就是ASIC侧把MAC模块出的标准接口XGMII或GMII转成串行输出了，在PHY芯片里就要把这个串行接口恢复成标准接口；

        2、后面就是和外部网络侧接口相关的PHY子层：PCS、PMA、PMD；

        3、自协商模块，沿用802.3 clause 37。

        4、在发送测（下面绿框），当网络接口是100M或1G模式时，GMII信号将被编码到XGMII中以15.6254M/s速率进行传输，当网络接口是2.5G、5G、10G模式时，直接使用XGMII进行传输。

XGMII接口和数据包

        由于USXGMII是XGMII的串行化，USXGMII上传输的数据来源就是XGMII上的数据，所以有必要先学习一下XGMII接口的数据包格式。

        XGMII数据包，由于XGMII是MAC与PHY之间的标准接口，所以XGMII数据包实际上就是MAC内封装成的以太网帧，关于以太网的帧结构我们以前的文章讲MAC功能时也说过，这里不多提了。

XGMII接口信号

        XGMII接口信号如下：

        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]，每8个数据位在逻辑上为一条lane。

        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]，每8个数据位在逻辑上为一条lane。

        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数据流

        XGMII上传输的数据流结构如下：

        Inter-frame：帧间隙，两段数据帧之间的间隙，以Terminate控制字开始，接着是Idle控制字，以start控制字符前一个Idle字结束。这个帧间隙有几个功能：1、RS lane间对齐；2、PHY子层PCS到PMA速率适配；3、10GBASE-W数据速率自适应。

        Preamble：前导，由MAC生成往下传，就是MAC帧结构中的前导码，共7个字节：

10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010，在发送时，RS会将前导码的第一个字节转换为XGMII上的开始控制字符（0xFB，11011111），接收时又会将开始控制字符转换回前导码。

        SFD：帧起始分隔符，表示以太网帧的开始，紧跟在前导码之后，XGMII里面的SFD和以太网MAC帧结构中的SFD一致，为0xD5，10101011。

        注意：以上前导码和SFD字节中，最左边的比特是八位字节中的LSB，而最右边的比特是该八位字节组中的MSB。

        有同学看到这可能有疑问，MAC帧结构中已经有了一个帧起始标志SFD了，为什么XGMII上传输又多了一个由前导码第一个字节转换而成的开始控制字符？这么做的目的是为了把XGMII传输的开始字符固定在lane0上，方便更好地做字符对齐，经过处理后的前导和SFD分布如下：

        Data：数据包，这个很好理解。

        EFD：帧结束分隔符，当TXC或RXD为1时，由任何一条lane上数据为0xFD构成EFD。

XGMII信号传输示例

        XGMII上的信号组合有如下几种：

        第1个是数据信息，TXC为0，TXD上为数据比特；

        第3个是LPI请求的控制信息，TXC为1，每条lane上TXD同时为0x06；

        第4个是idle控制信息，TXC为1，TXD上为0x07；

        第5个是序列号控制信息，TXC为1，TXD[7:0]为0x9C，序列号只能在lane0上，是XGMII上的ordered sets的第一个字节；XGMII定义了如下几种ordered sets：

         第7个是报文起始控制信息，TXC为1，TXD[7:0]为0xFB，起始信号只能在lane0上；

        第8个是报文结束控制信息，TXC为1，TXD为0xFD；

        第9个是发送错误控制信息，TXC为1，TXD为0xFE；

        接收端和发送端类似，大家自行查阅规范802.3 46.3.2。

        如下是一个正常的数据帧传输的示意图：

        找到上图中的S，即XGMII上由前导码第一个字节转换而来的起始控制字符，在这个字符之前是帧间隙，之后是6个字节的前导码，注意前导码也是data字符，所以对应的TXC为0。前导码之后就是SFD，以太网帧起始分隔符，随后就是帧data，数据发完就是结束控制字符T，后面就又是帧间隙了。 

        今天先介绍到这里，下篇介绍USXGMII框架中PCS子层的功能细节和XGMII到USXGMII之间的映射。