GMII接口分析.doc

本文主要分析MII/RMII/SMII，以及GMII/RGMII/SGMII接口的信号定义，及相关知识，同时本文也对RJ-45接口进行了总结，分析了在10/100模式下和1000M模式下的连接方法。
4. GMII接口分析
GMII接口提供了8位数据通道，125MHz的时钟速率，从而1000Mbps的数据传输速率。下图定义了RS层的输入输出信号以及STA的信号：

图18Reconciliation Sublayer (RS) and STA connections to GMII
下面将详细介绍GMII接口的信号定义，时序特性等。由于GMII接口有MAC和PHY模式，因此，将会根据这两种不同的模式进行分析，同时还会对RGMII/TBI/RTBI接口进行介绍。
4.1 GMII接口信号定义
GMII接口可分为MAC模式和PHY模式，一般说来MAC和PHY对接，但是MAC和MAC也是可以对接的。
在GMII接口中，它是用8根数据线来传送数据的，这样在传送1000M数据时，时钟就会125MHz。
GMII接口主要包括四个部分。一是从MAC层到物理层的发送数据接口，二是从物理层到MAC层的接收数据接口，三是从物理层到MAC层的状态指示信号，四是MAC层和物理层之间传送控制和状态信息的MDIO接口。
GMII接口的MAC模式定义：

注意在表7中，信号GTX_CLK对于MAC来说，此时是Output信号，这一点和MII接口中的TX_CLK的Input特性不一致。
GMII接口PHY模式定义：

表8
注意在表8中，信号GTX_CLK对于PHY来说，此时是Input信号，这一点和MII接口中的TX_CLK的Output特性不一致。
4.2 GMII接口时序特性
在GMII接口中，TX通道参考时钟是GTX_CLK，RX通道参考时钟是RX_CLK，802.3-2005定义了它们之间的关系。

图19 GMII signal timing at receiver input

由图19可知，Spec只定义了TX通道和RX通道中接收端Setup时间和Hold时间。很明显，即该Spec只对TX通道上PHY这一侧的接收特性作了定义，而对TX通道MAC那一侧的发送特性并没有定义。IC Vendor可在TX通道那一侧的MAC的发送特性作适当调整，只要最终的时序满足TX通道上PHY这一侧的接收特性就可以。
同样的道理，该Spec只对RX通道上MAC这一侧的接收特性作了定义，而对RX通道PHY那一侧的发送特性并没有定义。IC Vendor可在RX通道那一侧的PHY的发送特性作适当调整，只要最终的时序满足RX通道上MAC这一侧的接收特性就可以。

图20 Setup和Hold Time的值
从图20可以看出，这里有两组setup和hold时间。其中第一组Spec则是根据图21给定的测试电路定义的，即该Spec未考虑PCB上传输线的不匹配等影响。而第二组Spec则是定义了receiver at its input pins的时间要求，它考虑了PCB上传输线的长度不匹配等影响。一般IC Vendor需要按照第二组Spec来设计它们的IC。
(Two sets of setup and hold time parameters are specified in Fig. 20. The first set, tSETUP and tHOLD, applies to the source of a synchronous GMII signal and its clock and is measured using the “GMII Setup and Hold Time Test Circuit,” which has transmission lines with matched propagation delays in the “clock” and“signal” paths. The second set, tSETUP(RCVR) and tHOLD(RCVR), applies to the GMII receiver and specifies the minimum setup and hold times available to the GMII receiver at its input pins. The difference between the two sets of setup and hold time parameters provides margin for a small amount of mismatch in the propagation delays of the “clock” path and the “signal” paths in GMII applications)。

图21 GMII接口Setup和Hold Time测试电路

4.3 GMII信号功能特性：
<1>： GTX_CLK (transmit clock)，GTX_CLK (Transmit Clock)是一个连续的时钟信号（即系统启动，该信号就一直存在），它是TX_EN, TXD, and TX_ER(信号方向为从RS到PHY)的参考时钟，PHY端在信号的上升沿采样，GTX_CLK由MAC驱动。GTX_CLK的时钟频率是数据传输速率的12.5，即125MHz。
<2>：对于同样的RX_CLK，它与TX_CLK具有相同的要求，所不同的是它是RX_DV, RXD, and RX_ER(信号方向是从PHY到RS)的参考时钟，MAC端在时钟的上升沿采样。RX_CLK是由PHY驱动，PHY可能从接收到的数据中提取时钟RX_CLK，也有可能从一个名义上的参考时钟(e.g., the TX_CLK reference)来驱动RX_CLK
<3>：GMII接口的发送时序如图22所示，接收时序如图23所示，至于其它信号的功能特性以及在数据传输过程中，不同信号的逻辑变化所代表的意义，这里不再描述，大体上和“MII信号功能特性”一节中描述类似，读者可以参阅802.3-3005的Spec。

图22 GMII信号发送时序

图23 GMII信号接收时序
4.4 GMII的管理MDIO接口：
关于GMII的管理MDIO接口，这里也不再描述，它在硬件设计上同MII的管理MDIO接口一节的描述。
4.5 Electrical Character
GMII接口的电气特性可以分为DC characteristics和AC characteristics。
针对于DC电气特性而言，All GMII drivers and receivers shall comply with the dc parametric attributes specified in Table 35–7. The potential applied to the input of a GMII receiver may exceed the potential of the receiver’s power supply (i.e., a GMII driver powered from a 3.6 V supply driving VOHinto a GMII receiver powered from a 2.5 V supply). Tolerance for dissimilar GMII driver and receiver supply potentials is implicit in these specifications.

针对于AC电气特性而言，The GMII ac electrical characteristics are specified in a manner that allows the implementor flexibility in selecting the GMII topologies its devices support and the techniques used to achieve the specified characteristics.
All GMII devices are required to support point-to-point links. The electrical length of the circuit board traces used to implement these links can be long enough to exhibit transmission line effects and require some form of termination. The implementor is allowed the flexibility to select the driver output characteristics and the termination technique and components to be used with its drivers for point-to-point links. Implementors may elect to support other GMII topologies in addition to the point-to-point topology and may specify different termination techniques and components for each supported topology.
Since the output characteristics and output voltage waveforms of GMII drivers depend on the termination technique and the location of the termination components, the ac output characteristics of GMII drivers are not explicitly specified. Rather, the ac characteristics of the signal delivered to a GMII receiver are specified. These characteristics are independent of the topology and termination technique and apply uniformly to all GMII applications.

5. RGMII接口分析
5.1 RGMII接口信号定义：
RGMII接口（Reduced GMII接口）是简化的GMII接口。它也分为MAC模式和PHY模式。
RGMII接口的MAC模式定义：

表9
RGMII接口的PHY模式定义：

表10
由表9~表10可知，RGMII接口相对于GMII接口，在TXD和RXD上总共减少了8根数据线。

5.2 RGMII接口时序特性：

图24 RGMII接口TX通道MAC侧发送特性
虽然RGMII接口中，信号线减半，同时GTX_CLK和RX_CLK还是125MHz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD和RXD信号线上在时钟的上升沿发送GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟的下降沿发送GMII接口中TXD[7:4]/RXD[7:4]，并且信号TX_CTL反映了TX_EN和TX_ER的状态，即在GTX_CLK上升沿发送TX_EN，下降沿发送TX_ER。同样的道理适用于信号RX_CTL，它反映了RX_EN和RX_ER的状态，即在RX_CLK上升沿发送RX_EN，下降沿发送RX_ER。它们具体的关系。具体时序特性如图24~图25。

图25 RGMII接口RX通道PHY侧发送特性