【必读】从MII到RGMII，一文了解以太网PHY芯片不同传输接口信号时序！

1、概述

  不管是使用FPGA还是ARM，想要实现以太网通信，都离不开以太网PHY芯片，其功能如下所示，FPGA或者ARM将以太网数据发送给PHY芯片，PHY会将接收数据转换成模拟的差分信号传输到RJ45座子，最后通过网线与CPU、FPGA等网线连接的设备通信。PHY芯片实现的功能相当于OSI模型中的物理层。

图1 phy信号传输图

  上述介绍适用于三速以太网(10M/100M/1000M)，万兆以太网后续会讲解。大家其实要注意一点，如同以太网phy芯片、摄像头采集芯片，高速ADC等芯片，他们传输数据的速率是比较快的，但是一颗芯片往往存在很多功能，比如以太网PHY芯片可以设置不同的传输速率，10M还是100M，全双工还是半双工，摄像头芯片采集不同分辨率不同刷新率的图片。

  要实现上述功能切换，主控芯片需要通过一个接口去配置这些芯片内部的寄存器，配置这些寄存器往往没有速度要求，那么串口就是最好的选择，可以减少走线，便于PCB布局布线。摄像头芯片实现这类功能使用的是类似IIC协议的SCCB串口通信协议，而以太网PHY芯片是通过MDIO这种串行接口实现内部寄存器的配置。

  不同的以太网PHY往往可以通过不同的接口与主控芯片（FPGA/ARM等）传输数据，以三速以太网为例，可以通过MII，RMII，GMII，RGMII进行数据传输。

  通过上文描述，大致可以知道以太网PHY芯片包含三组数据线，一组用于配置其内部寄存器的串行接口MDIO，一组与RJ45连接的物理差分接口，一组用于和主控芯片传输数据的并行总线， 可能是MII、GMII、RMII、GRMII其中一种，与硬件及寄存器配置有关。

  下文先讲解以太网PHY芯片与主控芯片不同传输接口信号时序，然后讲解配置寄存器的MDIO接口时序，后文通过对具体主控芯片的手册，原理图讲解来对照这些接口。

2、MII接口

  该接口相关信号如图2所示，有MII（Media Independent Interface）接口大致可以分为两组信号，一组信号负责发送数据给MAC侧，另一组将MAC需要发送的信号输入，然后转换成模拟差分信号，经过RJ45接口输出。

图2 MII接口信号

  该接口的信号的相关含义如表1所示，表中信号方向针对PHY芯片来说，I表示输入，O表示输出。

表1 MII接口信号

信号	方向	位宽	含义
RX_CLK	O	1	发送时钟，PHY芯片产生，100Mbps时为25MHz，10Mbps时为 2.5MHz。
RX_DV	O	1	高电平表示发送的数据有效。
RX_ER	O	1	高电平表示发送数据的错误，接收端不接受该数据。
RX_D	O	4	发送数据总线。
TX_CLK	O	1	接收时钟，PHY芯片产生，频率与RX_CLK一致。
TX_EN	I	1	高电平表示接收的数据有效。
TX_ER	I	1	高电平表示接收的数据包有误，丢弃该数据包。
TX_D	I	4	接收数据总线。
CRS	O	1	载波侦测信号，不需要同步于参考时钟，有数据传输，CRS就有效，仅PHY在半双工模式下有效。
COL	O	1	冲突检测信号，不需要同步于参考时钟，仅PHY在半双工模式下有效。

  PHY芯片向MAC传输数据的接口时序如下图所示，PHY芯片在RX_CLK下降沿输出数据RX_DATA，两个时钟发送一字节数据，先发送低四位数据，后发送高四位数据，发送数据时RX_DV信号拉高。 MAC侧在时钟上升沿采集RX_DV和RX_DATA状态。

图3 MAC侧接收数据时序

  下图是该接口MAC侧发数据给PHY芯片的时序，依旧是下降沿输出数据，方便接收端在上升沿对数据进行采样。

图4 MAC侧发送数据时序

  MII接口只能实现100Mbps、10Mbps速率的数据传输，不能实现1000Mbps。 发送、接收的数据线均为4位，则每个时钟周期发送或接收4位数据。如果要实现100Mbps通信速率，那么时钟频率就应该是25MHz。如果要实现10Mbps通信速率，那么时钟频率就应该是2.5MHz。

  接口的时序总体比较简单，注意发送、接收的时钟信号都是PHY芯片输出即可，FPGA一般使用的都是千兆以太网，要求较高时，使用万兆网，所以MII接口在FPGA中不是很常见，在ARM中更常见。

3 、RMII接口

  RMII（Reduced Media Independent Interface）接口其实就是MII接口的简化版本，将TX_CLK和RX_CLK合并为双向时钟线REF_CLK，由外部的晶振同时给PHY芯片和MAC主控芯片提供时钟信号。 将4位的数据线简化为2位。对应的接口信号如图5所示。

图5 RMII接口信号

  对应信号的含义如表2所示：

表2 RMII接口信号

信号	方向	位宽	含义
REF_CLK	I	1	参考时钟，外部晶振产生，100Mbps时为50MHz，10Mbps时为5MHz。
CRS_DV	O	1	高电平表示发送的数据有效。
RX_ER	O	1	高电平表示发送数据的错误，接收端不接受该数据。
RX_D	O	2	发送数据总线。
TX_EN	I	1	高电平表示接收的数据有效。
TX_D	I	2	接收数据总线。

  RMII将发送时钟、接收时钟合并为参考时钟信号，把4位的数据线简化为2位数据线，可以简化PCB布局布线。RMII同样只能实现100Mbps和10Mbps，当以100Mbps速率传输数据时，每个时钟传输2位数据，此时参考时钟应该设置为50MHz。当以10Mbps速率传输数据时，参考时钟应设置为5MHz。

  RMII接口时序与MII完全一致，所以不在赘述。

4 、GMII接口

  GMII（Gigabit Media Independent Interface）接口是比较常见的千兆网接口，明德扬、小梅哥的FPGA板卡上就是这种接口，接口时序也比较简单，对应的接口信号如图6所示。

图6 GMII接口信号

  接口信号的含义与MII接口一致，此处就不在赘述，注意MII的接收时钟和发送时钟均由PHY芯片输出，而GMII的TX_CLK是由MAC输出给PHY芯片的。此外就是数据位宽由MII的4位变为了8位。

  PHY芯片发送数据给MAC的接口时序如下图所示，与MII接口一样，PHY芯片在RX_CLK下降沿输出数据，MAC在上升沿采集数据，但是GMII接口每个时钟周期传输一字节数据。

图7 MAC接收数时序

  MAC发送数据到PHY芯片的接口时序如下图所示，在下降沿输出一字节数据即可。

图8 MAC发送数据时序

  该接口支持1000Mbps，向下兼容100Mbps和10Mbps。由于数据线位宽为8位，在每个时钟的单沿进行数据传输。如果要实现1000Mbps传输速率，那么发送和接收的时钟频率应该为125MHz。

5 、RGMII接口

  RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口就是把GMII接口的数据线做简化处理，也能够实现千兆网，正点原子和米联客的FPGA板卡的千兆网就是采用该接口实现，接口信号如图9所示。

图9 RGMII接口信号

  相比GMII接口，RGMII接口的数据线由8位缩减到4位，RX_DV与RX_ER信号合成为RX_CTL信号。该接口实现1000Mbps传输速率时，时钟依旧是125MHz，下图是该接口MAC侧发送数据给PHY芯片的时序图。

图10 RGMII TX时序

  MAC侧在时钟TX_CLK的上升沿将需要发送数据的低4位输出到数据线TXD，在时钟TX_CLK下降沿将传输数据的高4位输出到数据线TXD，因此每个时钟传输1字节数据，125MHz的时钟就能实现1000Mbps速率。

  MAC侧不能直接将TX_CLK输出给PHY芯片使用，因为TX_CLK的上升沿和下降沿对应的TXD信号都处于变化阶段，此时采集数据可能会出错，TX_CLK周期为8ns，将TX_CLK延迟2ns后输出给PHY芯片作为TX_CLK，延迟后的信号上升沿和下降沿对应的TXD就是稳定的，此时就可以稳定采集数据。

  此时就会出现双沿传输数据，以及将信号延迟2ns，那么前文的ODDR以及ODELAYE2就可以派上用场了。但是A7系列并没有ODELAYE2，所以A7系列处理方式会有以下几点吧。

  首先可以使用RTL8211这种以太网PHY芯片，该只需要把TXDLY和RXDLY引脚上拉就可以对RX_CLK和TX_CLK延迟2ns后作为数据采集的时钟，比较方便。但是88E1518这类PHY芯片没有相关引脚，也就不能用这个方法，那么就只有使用锁相环将时钟相移90°来实现2ns的延时，这个实际的延时可能会大一点。

  注意TX_CTL信号，该信号将TX_EN和TX_ER结合，在TX_CLK上升沿，TX_CTL输出TX_EN的状态，高电平表示数据有效，在TX_CLK下降沿，此时输出TX_EN异或TX_ER的结果，所以只有当TX_CTL在TX_CLK上升沿和下降沿同时为高电平时数据才是有效的。

图11 RGMII RX时序

  RGMII接口依旧可以实现100Mbps和10Mbps速率传输数据。当传输速率为100Mbps时，数据位宽为4位，所以时钟频率为25MHz即可。只在时钟上升沿输出数据，但是TX_CTL和RX_CTL依旧需要在上升沿和下降沿传输数据。 当传输速率为10Mbps时，时钟频率为2.5MHz。

  综上RGMII接口的数据线相比GMII减少了一半，PCB布局布线会简单很多，但是对PCB布局布线的要求也更加严格，总体还是值得的。像RTL8211这种三速以太网PHY芯片是可以支持MII、GMII、RGMII这几种接口的，但是当板子硬件做好后，往往只能使用其中一种，具体是什么接口，需要结合原理图具体分析。

  FPGA开发板大多使用的是RTL8211芯片，但是我这里的ZYNQ 7020的PL端没有网口，ZYNQ7030PL端倒是由两个千兆以太网，但使用的确是88E1518芯片，该芯片只能使用RGMII接口传输数据，且该芯片的资料比较少，就只能读数据手册了。

  对于上述接口，如果是学习，推荐选择RGMII接口，使用该接口就必须使用IDDR、ODDR、这些原语，以及BUFIO等时钟原语。如果是画PCB，板子比较紧凑的情况下，选RGMII应该也更好，反正等长之类的都是必不可少的，少走10根数据线优势还是比较大的。

  本文对PHY与MAC通信的一些协议进行了讲解，需要更加详细的同学可以在公众号后台回复”802.3” （不包括引号）获取标准以太网标准协议进行研读。