MarkS Note: Ethernet Pin Knowledge -- RMII / SMII Pin Connection (3)

本文主要分析 MII/RMII/SMII ，以及 GMII/RGMII/SGMII 接口的信號定義，及相關知識，同時本文也對 RJ-45 接口進行了總結，分析了在 10/100 模式下和1000M模式下的連接方法。

4. GMII 接口分析

GMII 接口提供了 8 位數據通道， 125MHz 的時鐘速率，從而 1000Mbps 的數據傳輸速率。下圖定義了 RS 層的輸入輸出信號以及 STA 的信號：

圖 18 Reconciliation Sublayer (RS) and STA connections to GMII

下面將詳細介紹 GMII 接口的信號定義，時序特性等。由於 GMII 接口有 MAC 和PHY 模式，因此，將會根據這兩種不同的模式進行分析，同時還會對RGMII/TBI/RTBI 接口進行介紹。

4.1 GMII 接口信號定義

GMII 接口可分為 MAC 模式和 PHY 模式，一般說來 MAC 和 PHY 對接，但是MAC 和 MAC 也是可以對接的。

在 GMII 接口中，它是用 8 根數據線來傳送數據的，這樣在傳送1000M數據時，時鐘就會 125MHz 。

GMII 接口主要包括四個部分。一是從 MAC 層到物理層的發送數據接口，二是從物理層到 MAC 層的接收數據接口，三是從物理層到 MAC 層的狀態指示信號，四是 MAC 層和物理層之間傳送控制和狀態信息的 MDIO 接口。

GMII 接口的 MAC 模式定義：

注意在表 7 中，信號 GTX_CLK 對於 MAC 來說，此時是 Output 信號，這一點和MII 接口中的 TX_CLK 的 Input 特性不一致。

GMII 接口 PHY 模式定義：

表 8

注意在表 8 中，信號 GTX_CLK 對於 PHY 來說，此時是 Input 信號，這一點和MII 接口中的 TX_CLK 的 Output 特性不一致。

4.2 GMII 接口時序特性

在 GMII 接口中， TX 通道參考時鐘是 GTX_CLK ， RX 通道參考時鐘是RX_CLK ， 802.3-2005 定義了它們之間的關係。

圖 19 GMII signal timing at receiver input

由圖 19 可知， Spec 只定義了 TX 通道和 RX 通道中接收端 Setup 時間和Hold 時間。很明顯，即該 Spec 只對 TX 通道上 PHY 這一側的接收特性作了定義，而對 TX 通道 MAC 那一側的發送特性並沒有定義。IC Vendor 可在 TX 通道那一側的 MAC 的發送特性作適當調整，只要最終的時序滿足 TX 通道上 PHY 這一側的接收特性就可以。

同樣的道理，該 Spec 只對 RX 通道上 MAC 這一側的接收特性作了定義，而對 RX 通道 PHY 那一側的發送特性並沒有定義。IC Vendor 可在 RX 通道那一側的 PHY 的發送特性作適當調整，只要最終的時序滿足 RX 通道上 MAC 這一側的接收特性就可以。

圖 20 Setup 和 Hold Time 的值

從圖 20 可以看出，這裡有兩組 setup 和 hold 時間。其中第一組 Spec 則是根據圖 21 給定的測試電路定義的，即該 Spec 未考慮 PCB 上傳輸線的不匹配等影響。而第二組 Spec 則是定義了 receiver at its input pins 的時間要求，它考慮了PCB 上傳輸線的長度不匹配等影響。一般 IC Vendor 需要按照第二組 Spec 來設計它們的 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)。

圖 21 GMII 接口 Setup 和 Hold Time 測試電路

4.3 GMII 信號功能特性：

<1> ： GTX_CLK (transmit clock) ， GTX_CLK (Transmit Clock) 是一個連續的時鐘信號（即係統啟動，該信號就一直存在），它是 TX_EN, TXD, and TX_ER( 信號方向為從 RS 到 PHY) 的參考時鐘， PHY 端在信號的上升沿採樣，GTX_CLK 由 MAC 驅動。GTX_CLK 的時鐘頻率是數據傳輸速率的 12.5 ，即125MHz 。

<2> ：對於同樣的 RX_CLK ，它與 TX_CLK 具有相同的要求，所不同的是它是 RX_DV, RXD, and RX_ER( 信號方向是從 PHY 到 RS) 的參考時鐘， MAC端在時鐘的上升沿採樣。RX_CLK 是由 PHY 驅動， PHY 可能從接收到的數據中提取時鐘 RX_CLK ，也有可能從一個名義上的參考時鐘 (eg, the TX_CLK reference) 來驅動 RX_CLK

<3> ： GMII 接口的發送時序如圖 22 所示，接收時序如圖 23 所示，至於其它信號的功能特性以及在數據傳輸過程中，不同信號的邏輯變化所代表的意義，這裡不再描述，大體上和“ MII 信號功能特性”一節中描述類似，讀者可以參閱802.3-3005 的 Spec 。

圖 22 GMII 信號發送時序

圖 23 GMII 信號接收時序

4.4 GMII 的管理 MDIO 接口：

關於 GMII 的管理 MDIO 接口，這裡也不再描述，它在硬件設計上同 MII 的管理 MDIO 接口一節的描述。

4.5 Electrical Character

G MII 接口的電氣特性可以分為 DC characteristics 和 AC characteristics。

針對於 DC 電氣特性而言， 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 (ie , a GMII driver powered from a 3.6 V supply driving VOH into a GMII receiver powered from a 2.5 V supply). Tolerance for dissimilar GMII driver and receiver supply potentials is implicit in these specifications.

針對於 AC 電氣特性而言， 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 接口信號定義：

RGMII 接口（ Reduced GMII 接口）是簡化的 GMII 接口。它也分為 MAC 模式和 PHY 模式。

RGMII 接口的 MAC 模式定義：

表 9

RGMII 接口的 PHY 模式定義：

表 10

由表 9~ 表 10 可知， RGMII 接口相對於 GMII 接口，在 TXD 和 RXD 上總共減少了 8 根數據線。

5.2 RGMII 接口時序特性：

圖 24 RGMII 接口 TX 通道 MAC 側發送特性

雖然 RGMII 接口中，信號線減半，同時 GTX_CLK 和 RX_CLK 還是 125MHz ，為了達到 1000Mbit 的傳輸速率， TXD 和 RXD 信號線上在時鐘的上升沿發送GMII 接口中的 TXD[3:0]/RXD[3 :0] ，在時鐘的下降沿發送 GMII 接口中TXD[7:4]/RXD[7:4] ，並且信號 TX_CTL 反映了 TX_EN 和 TX_ER 的狀態，即在GTX_CLK 上升沿發送 TX_EN ，下降沿發送 TX_ER 。同樣的道理適用於信號RX_CTL ，它反映了 RX_EN 和 RX_ER 的狀態，即在 RX_CLK 上升沿發送RX_EN ，下降沿發送 RX_ER 。它們具體的關係。具體時序特性如圖 24~ 圖25 。