一、MII接口

1.MII接口分析

         MII接口提供了MAC和PHY之间，PHY与STA（Station Management）之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的速率，数据位宽4bit。

         提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名词，下面讲一下他们之间的关系。

         所谓RS即Reconciliation sublayer，他的主要功能是提供一种MII和MAC/PLS之间的信号映射机制。他们（RS与MII）之间的关系如下：

                                                                                             图一RS与MII的关系

          MII接口的管理接口可同时控制多个PHY，802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的接口特性。所谓管理接口，就是MDC和MDIO信号。

          前面讲过RS和PLS的关系，以及MII接口连接的对象，他们通过MII接口进行连接的示意图如下。有图可知，MII的管理接口是与STA连接的。

                                                                                                    图二PLS与MII的连接

         下面将详细介绍MII接口的信号定义，时序特性等。由于MII有MAC和PHY模式，因此，将会根据这两种模式进行分析。

2.MII接口信号定义

          MII接口可以分为MAC模式和PHY模式，一般来说MAC和PHY对接，但是MAC和AMC也是可以对接的。

          以前10M的MAC层芯片和物理芯片之间的数据传输是通过一根数据线进行的，其时钟是10M，在100M中，如果也用一根数据线来传送的话，时钟需要100M，这会带来一些问题，所以定义了MII接口，他是用4根数据线来传输数据的，这样在传送100M数据的时候，始终就从100MHZ降到了25MHZ。在10M速率时，时钟会降低到2.5MHZ，这样就实现了10M和100M的兼容。

         MII接口包含四个部分。一是从MAC层到PHY层的数据发送接口，二是MAC层到PHY层的数据接收端口，三是PHY层到MAC层的状态指示信号，四是MAC层和PHY层之间传送控制和状态信息的MDIO接口。

MII接口的MAC模式定义：

                                                                                图三MII接口的MAC模式定义

MII接口的PHY模式定义：

                                                                                              图四MII接口的PHY模式定义

3.MII接口的时序特性

          在MII接口中，TX的参考时钟是TX_CLK，RX的参考时钟是RX_CLK，802.3-2005定义了他们之间的关系。

                                                                                               图五TX_CLK与其信号关系

                                                                                                 图六RX_CLK与其信号关系

          由图五和图六可知，数据传输是在时钟的上升沿。

4.MII信号的功能特性

       <1>.TX_CLK：TX_CLK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，TX_ER（信号方向从RS到PHY）的参考时钟，TX_CLK由PHY驱动，频偏100PPM。

      <2>.RX_CLK：RX_CLK与TX_CLK具有相同的要求，所不同的就是它是RX_DV，RXD，TX_ER（方向从PHY到RS）的参考时钟。RX_CLK同样是由PHY驱动，PHY可能从接收到的数据中提取时钟RX_CLK，也可以从一个名义上的参考时钟来驱动RX_CLK。

       <3>.TXD：TXD由RS驱动，同步于TX_CLK，在TX_CLK的时钟周期内，并且TX_EN有效，TXD上的数据被PHY接收，否则TXD的数据对PHY没有任何影响。

        <4>.TX_ER：TX_ER同步于TX_CLK，在数据传输过程中，如果TX_ER有效超过一个时钟周期，并且此时TX_EN是有效的，则数据通道中传输的数据是无效的。当TX_ER有效并不影响工作在10Mb/s的PHY或者TX_EN无效时的数据传输。在MII接口的连线中，如果TX_ER信号线没有用到，必须将它下拉。

        <5>.RX_DV：RX_DV同步于RX_CLK，被PHY驱动，它的作用如同TX_EN，不同的是时序上有一点差别：为了让数据能够成功的被RS接收，要求RX_DV的有效时间必须覆盖整个FRAME的过程。

        <6>.RXD：RXD由PHY驱动，同步于RX_CLK，在TX_CLK的时钟周期内，并且RX_DV有效，RXD上的数据被RS接收，否则RXD的数据对PHY没有任何影响。

         <7>.RX_ER：RX_ER同步于RX_CLK，其在RX通道中的作用类似于TX_ER。

         <8>.CRS：CRS不需要同步于参考时钟，只要通道存在接收或者发送过程，CRS就需要有效。CRS只用于半双工模式，全双工时无效（可以不接）。

           <9>.COL：COL不需要同步于参考时钟，COL只用于半双工模式，全双工时无效（可以不接）。

5.MII的管理接口

      MII的管理接口（MMII）包含两根线，即MDC和MDIO，通过它，MAC芯片（或其它控制芯片）可以访问物理层芯片的寄存器，并通过这些寄存器来对物理芯片进行控制和管理。MMII接口描述如下：

       MDC：管理接口时钟信号，他是一个非周期信号，信号的最小周期为400ns(一般芯片给出的最大频率为8.3MHZ)，最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大正电平时间无限制。他与TX_CLK和RX_CLK无任何关系。

         MDIO是一根双向数据线。用来传送MAC到PHY的控制信息和PHY的状态信息。MDIO与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。MDIO管理接口数据帧结构如下：

                                                                                    图七MDIO管理接口数据帧结构

帧结构各域的含义如下：

PRE：帧前缀，为32个连续“1”，这些前缀不是必要的，某些物理层芯片的MDIO没有这些。

ST：帧开始标志，出现“01”标示帧开始。

OP：读写操作，“10”标示读，“01”标示写。

PHYAD：PHY地址，5BIT数据，每个PHY芯片都把这5bit数据与自身地址进行比较，若匹配则进行后面的操作，若不匹配，则忽略后面的操作。

REGAD：用来选择PHY芯片的32个寄存器中的某一个。

TA：状态转换，若为读操作，则第一比特MDIO为高阻状态，第二比特时由物理层芯片使MDIO置“0”。若为写操作，则MDIO仍由MAC信号控制，输出“10”。

DATA：寄存器数据，16bit，若为读操作，则为PHY到MAC，若为写操作，则为MAC到PHY。

IDLE：帧结束后的空闲状态，此时MDIO无源驱动，处于高阻状态，但一般用上拉电阻使其处于高电平，即MDIO引脚需要上拉。

MDIO的时序如下：

                                                                                          图八MDIO操作时序图

        MII接口也有一些不足之处，主要就是接口信号线比较多，总共14根信号线（不包含MDC和MDIO），当交换机芯片端口数较多时，会造成芯片的管脚数很多的问题，后来衍生了RMII和SMII接口。

二、SMII接口分析

1.SMII接口信号定义

        SMII（serial MII）接口又叫串行MII接口。它包括TXD、RXD、SYNC三类信号线。另外所有的端口共用一个时钟信号CLOCK，此时时钟信号频率是125MHZ，TXD、RXD和SYNC都与此时钟同步。为什么用125MHZ，是因为数据线里会传送一些控制信息（并不是通常理解的需要进行4B/5B编解码，因为编解码在PHY中已经完成）。SYNC是数据收发的同步信号，它每10个时钟周期置一次高电平，指示同步。TXD和RXD上收发的数据和控制信息，它们以10个bit为一组，以SYNC为高电平来只是一组数据的开始，每一组的数据的含义见后面。可以看出，SMII接口所需要的信号线每个端口只有三根，比MII（14）少了很多。

SMII接口的MAC定义：

                                                                                        图九SMII接口的MAC定义

SMII接口的PHY定义：

                                                                                               图十SMII接口的PHY定义

2.SMII接口时序特性

1.SMII接口发送时序如图十一：

                                                                                                      图十一SMII的发送时序

从波形可以看出，在SYNC变高后的10个周期内，TXD上一次输出一组10bit的数据，即TXER、TX_EN（控制信号）、TXD[0:7]。这些数据和控制信息的含义与MII接口的含义相同。物理层芯片在接收到这些数据和控制信息后做与MII接口相同的处理。在100M速率中，每一组的内容都是变换的，在10M速率中，每一组的数据则要重复10次，物理层芯片采样任何一组都可以。

2.SMII接口接收时序如图十二：

                                                                                                                图十二SMII的接收时序

       从波形可以看出，在SYNC变高后的10个时钟周期内，RXD上一次输出一组10bit的数据即RX_ER、RX_DV（控制信息）、RXD[0:7]。当RX_DV有效时，RXD[0:7]上面的数据为PHY的接收数据，当RX_DV无效时，RXD[0:7]上的数据反映的是物理层状态信息，内容如下：

                                                                                                              图十三SMII接口接收部分信息编码

      当以太网速率是100M时，每组数据都是变化的，当以太网速率是10M时，每组数据则要重复十次，MAC层芯片只要求采样其中一次就可以了。对其中的信号，MAC层芯片从SMII接口获得信息的处理方式与MII相同。

三、GMII接口

1.GMII接口分析

       GMII接口提供了8位数据通道，125MHZ的时钟速率，从而实现了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

                                                                                            图十四RS的输入和输出

2.GMII接口信号定义

        GMII接口可以分为MAC模式和PHY模式，一般而言MAC和PHY对接，但是MAC和MAC也是可以连接的。

         在GMII接口中，它是用8根数据线来进行数据传输的，这样用125MHZ的时钟频率就可以实现1000Mbps的数据传输。

          GMII接口主要包含四种信号线。一是从MAC层到物理层的数据发送信号，二是物理层到MAC层的数据接收信号，三是物理层到MAC层的状态指示信号，四是MAC层和物理层之间的传输控制信号的MDIO。

GMII接口的MAC模式定义：

                                                                                         图十五GMII接口的MAC定义

GMII接口的PHY模式定义：

                                                                                        图十六GMII接口的MAC定义

注：图三中GTX_CLK是输入信号，这与MII接口有点区别。

3.GMII接口的时序特性

                在GMII接口中，TX的参考时钟是GTX_CLK，RX通道参考时钟是RX_CLK，IEEE802.3-2005定义了他们之间的关系

                                                                                            图十七GTX_CLK与信号引脚的关系

         由图四可以知道，上图只是定义了TX和RX通道中接收端的建立时间和保持时间。

图十八是标准规定的建立时间和保持时间的值：

                                                                                               图十八GMII建立时间和保持时间的要求

       从图五可以看出，这里有两组建立时间和保持时间值。其中第一组是根据图六给定的电路测试定义的，该值没有考虑PCB上面的传输线不匹配等影响。而第二组是考虑了PCB传输线长度不匹配等的影响。

                                                                                         图十九GMII时序的测试电路

4.GMII信号的功能特性：

        <1>GTX_CLK：GTX_CLK是一个连续的时钟信号（系统启动就一直存在），它是TX_EN、TXD[0:7]和TX_ER的参考时钟，PHY端在信号上升沿对信号采样，GTX_CLK由MAC驱动。

         <2>RX_CLK：RX_CLK是一个连续的时钟信号（系统启动就一直存在），它是RX_DV、RXD[0:7]和RX_ER的参考时钟，MAC端在时钟上升沿采样。RX_CLk由PHY驱动，PHY可能从接收到的数据中提取该时钟，也可能从一个名义上的参考时钟来驱动RX_CLK。

其他信号与MII中一样，在这里不做详述。

                                                                                      图二十GMII的时序图

5.GMII的管理接口

         GMII的管理接口MDIO与MII中的类似，在这里不做详述。

1.GMII接口的电气特性

GMII的DC电气特性如图二十一：

                                                                                                         图二十一GMII直流电气特性

四、SGMII接口

1.SGMII接口信号定义

       SGMII接口又叫串行GMII接口。它包括TXD+/-、RXD+/-信号线。SGMII没有时钟信号，因为时钟信号是从TXD+/-或RXD+/-中恢复的，时钟频率为625MHZ（双边沿有效），之所以是625MHZ而不是500MHZ是因为这其中跟SMII接口一样含有一些控制信号（TX_EN、TX_ER、RX_DV、RX_ER），在TXD发送的串行数据中，每8比特数据会插入TX_EN/TX_ER两比特控制信息，同样，在RXD接收数据中，每8比特数据会插入RX_DV/RX_ER两比特控制信息，所以总的数据速率为1.25Gbps=625Mbps*2。

        其实，大多数MAC芯片的SGMII接口都可以配置成SerDes(串行器)接口(在物理上完全兼容，只需配置寄存器即可)，直接外接光模块，而不需要PHY层芯片，此时SGMII接口速率被提高到1.25Gbps不是因为插入了控制信息，而是因为需要进行进行了8B/10B变换，本来8B/10B变换是PHY芯片的工作，在SerDes接口中，因为外面不接PHY芯片，此时8B/10B变换在MAC芯片中完成了。8B/10B变换的主要作用是扰码，让信号中不出现过长的连“0”和连“1”情况，影响时钟信息的提取。

SGMII的MAC模式定义：

SGMII接口的PHY定义:

2.SGMII接口的时序特性

        SGMII没有参考的时钟，时钟是从信号线中恢复出来的，同时时序的准确性也是通过控制数据线差分信号来调整的。

SGMII输出时序：

                                                                                        图二十二SGMII的输出时序

                                                                                          图二十三SGMII的输出时序

SGMII输入时序：

                                                                                          图二十四SGMII的输入时序

                                                                                              图二十五SGMII的输入时序

3.SGMII接口的电气特性

SGMII接口的电气性能如图二十六：

                                                                                                图二十六SGMII的输出时序

                  总的来说SGMII接口相较于前几种接口而言简单了许多，但是接口速率而较前面的接口要高。

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