MultiGBASE-T1协议解读系列（上）：车载以太网多G物理层概述

随着中央计算+区域控制的中央集中式架构广泛应用，以及对高算力和大带宽数据传输的紧迫需求，当前车载以太网的千兆带宽已经无法满足未来的车载应用场景。在这个时代背景下，IEEE在2020年发布了802.3ch[1]协议，旨在协议层面上定义2.5G/5G/10GBASE-T1，以适应这一新的需求。

▎MultiGBASE-T1总览

以下是MultiGBASE-T1在OSI模型以及以太网层级中的位置：

与目前主流的100/1000BASE-T1相比，MultiGBASE-T1在XGMII、PCS、PMA、MDI上是完全不同的，在进行详细介绍前，我们要先了解一个概念：缩放参数S。

本文中提到的MultiGBASE-T1指的是2.5GBASE-T1、5GBASE-T1及10GBASE-T1，代表三种不同的 PHY 类型。三者共享相同的XGMII、PCS、PMA及MDI规范，支持使用缩放参数S进行频率缩放，因此统一称为MultiGBASE-T1。缩放参数S如下表所示：

▎XGMII

XGMII概述

XGMII由独立的发送和接收路径组成，每个方向都包含32个数据信号（TXD<31:0>和RXD<31:0>），四个控制信号（TXC<3:0>和RXC<3:0>）以及一个时钟信号（TX_CLK和RX_CLK）。

数据信号：上层（MAC层）或PCS子层传到协调子层（Reconciliation Sublayer）的数据。在XGMII上进行传输时，32个数据信号被分配在四个数据通道上同时进行传输：Lane0:<7:0>，Lane1:<15:8>，Lane2:<23:16>，Lane3:<31:24>。

控制信号：4个控制信号分别代表了4个数据通道上的数据信号的信号类型，控制信号为0时，数据信号类型为数据字符；控制信号为1时，数据信号类型为控制字符。起始字符、终止字符、空闲字符和错误字符等均由控制字符表示，控制信号与数据通道的对应方式如下：Lane0:<0>，Lane1:<1>，Lane2:<2>，Lane3:<3>。

时钟信号：在XGMII上传输的32个数据信号共享同一个时钟信号，时钟信号的计算公式为fMAC/64，即156.25×S MHz。

XGMII数据传输格式

数据流在XGMII上传输时，由五部分组成：<帧间隙><帧前导码><帧起始><数据><帧结束>。

帧间隙(inter-frame)：两个数据帧之间的间隙，由空闲字符组成。起到分隔帧以及数据对齐的作用。

帧前导码(preamble)：由七个字节组成，数据内容为10101010（0xAA）用于隔离每个数据帧，并起到定位作用。在发送端发送时，帧前导码的第一位需被替换为开始控制字符Start：11111011（0xFB），接收端接收时，需将这一位还原成10101010（0xAA）。

帧起始(sfd)：表示数据的开始，XGMII的sfd字符为固定值10101011（0xAB）。

帧结束(efd)：表示数据的结束，XGMII的efd字符为固定值11111101（0xFD）。

以下为发送端数据在XGMII中传输的示例，图中S为Start控制字符；Dp为帧前导码；T为终止控制字符，即efd；I为空闲字符；E为错误控制字符。

图中表示了数据信号、控制信号及时钟信号的传输模式，以及控制信号每一个比特控制一个数据通道的实现模式，如下图第一列，当4个数据通道的数据为空闲字符时，4位控制字符<3:0>为1111（0xF）；倒数第二列，当第一个数据通道为数据字符，其他为控制字符时，4位控制字符<3:0>为1110（0xE）。

XGMII错误和故障处理

802.3[2]协议中记录了XGMII的四种特殊的错误及故障处理机制。

错误响应-Response to error indications by the XGMII

响应接收到错误控制字符的功能。在帧接收期间，如果接收通道上出现一个非终止控制字符的控制字符，协调子层应当通过错误处理机制确保MAC层在该帧中检测到错误。

主动创建错误-Conditions for generation of transmit Error control characters

发送端通过主动增加错误控制字符，提高检测到错位的概率，增强系统的可靠性和容错性的功能。通过适当编码，在数据帧中添加冗余信息，使接收端能够检测并纠正在传输过程中发生的错误，使用这种机制后，即使在数据传输过程中出现了错误，接收端仍然能够正确恢复原始数据，无需重新发送请求。

数据对齐-Response to received invalid frame sequences

接收端将数据对应到正确的通道的功能。与协调子层相邻的MultiG PCS子层需要保持传输给协调子层的数据的对齐，即将Start控制字符对应到Lane0，此时sfd帧起始字符应对应到Lane3。协调子层应实现不处理sfd字符在除Lane3以外通道的数据帧。

链路故障信令-Link fault signaling

任何一方在接收数据过程中检测到链路错误时暂停数据发送的功能。

任何一方在接收数据过程中检测到链路错误后，PHY产生Local Fault帧（本地错误信号）传输到本地协调子层，协调子层处理Local Fault帧后发送Remote Fault帧（远程错误信号）透传到链路伙伴的协调子层。

当本地协调子层在128个时钟周期内接收到4个以上Local Fault帧时，它会通知本机MAC停止发送数据，并连续发送Remote Fault帧给对端RS层。当链路伙伴的协调子层在128个时钟周期内，连续接收到4个Remote Fault帧时，才会认为发送链路出现问题，它会通知本机MAC停止发送数据，并在发送链路上连续发送Idle帧。

在128个时钟周期内，没有接收到Local Fault帧或者Remote Fault帧，则表示链路状态正常，恢复数据传输。

▎结尾

以上即为本期MultiGBASE-T1协议的先导内容，那么，PCS子层的编码，以及PMA子层的电信号传输又是如何实现的呢？敬请关注下期：MultiGBASE-T1协议解读系列。

参考文献：

[1] IEEE, 802.3ch-2020, " IEEE Standard for Ethernet, Amendment 8: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 2.5Gb/s, 5Gb/s, and10Gb/s Automotive Electrical Ethernet ", 2020.

[2] IEEE, 802.3-2022, " IEEE Standard for Ethernet ", 2022.