以太网和物理层接口

以太网的帧结构 通常我所说的以太网帧结构： DMAC SMAC 802.1Q TYPE DATA FCS 实际在媒体中传输的以太网帧结构： Preamble DMAC SMAC 802.1Q TYPE DATA FCS Preamble的格式，按照Bit顺序描述就是： 101010101010…………10101011 1和0间隔出现，直到两个连续的1时，表示前导码结束。bit长度为4的整数倍或8的整数倍（为什么？），且不大于8个字节（64bit）。 前导码用16进制表示就是： 555555…………55D5。 注意：以太网的传输顺序是低bit前发送。

前导码的作用 前导码的波形： 1、用来同步接受端的时钟跟踪电路 2、用来训练接受端的自适应滤波器

以太网的传输 以太网在媒体中传输时，有数据时则媒体中有以太网帧，没有数据时则媒体中没有以太网帧。 废话？ 非也，在SDH传输中，时刻有SDH帧传输；ATM网中，无数据也要传送空信元；HDLC中，无数据时必须要传输连续的Flag……。目的是无数据情况下，也要保持着时钟同步。 而以太网，则在每一帧开始都要重新提取时钟同步。 媒体上以太网非线速传输情况： 以太网帧 以太网帧 以太网帧 以太网线速情况： 以太网帧 以太网帧 以太网帧 以太网帧 以太网帧 以太网帧 以太网帧 最小帧间隔，IPG=12字节，96bit

以太网的速率 通常以太网速率用两种方式表示： 1、帧速率，即frame per second（fps），每秒钟发送的帧数； 2、百分比速率，即线速的百分比值； 我们通常说的：“在100M以太网上，传送20M的速率”，就是指帧速率为线速时帧速率的20%。而不是在线路上传送20Mbps的数据。 计算方法： 特定帧长下，100M以太网线速时帧速率计算如下： 线速帧速率 ＝ 100*/[(字节帧长+8+12)*8] *1000000 例如64字节时，线速帧速率为148809.5，通常我们记做148810 fps 如果是10M以太网，则得出的值再除以10，如果是GE，得出的值再乘以10。

以太网的常见概念 Jabber：线路强占，一直发送数据不释放。 Fragment：碎片，没有完整的帧结构 Undersize：超短帧，长度小于64字节，但帧结构是完整的。 oversize ：超大帧，长度设定的最大帧长，帧结构完整。 alignment error ：前导码错误，或者出现半字节情况。 Collision ：半双工链接上出现了媒体上两个设备同时发送的情况。

以太网传输的信道编码 为什么要做信道编码？ 使0和1的个数在统计意义上相等，去除直流分量； 检测信道错误；以太网物理链路上要区分开三种状态：空闲、数据、冲突 编码方式： 一、10M以太网，曼彻斯特编码： 二、100M以太网，电口，4B/5B，加MLT3三电平编码 三、100M以太网，光口，4B/5B，加NRZ码 因为经过了4B/5B编码（即4bit的信息码，用5bit的信道码来传输），因此FE线路上的传输速率是100M的5/4倍，即125M。 数据帧的长度必须为4bit的整数倍，因此前面提到的前导码长度必须是4bit的整数倍。

以太网传输的信道编码 四、1000M以太网，电口，8B/10B，加五电平编码 五、1000M以太网，光口，8B/10B，加NRZ码 因为经过了8B/10B编码（即8bit的信息码，用10bit的信道码来传输），因此GE线路上的传输速率是1000M的5/4倍，即1.25G。 数据帧的长度必须是8bit的整数倍，因此前导码的长度必须是8bit的整数倍。

以太网系统的分层 MAC层 PHY层 物理接口 从芯片实体上看，主要分成2层，MAC层和PHY层 MAC层主要完成的功能：成帧、检错、流控、重传。一般MAC层和物理媒体是无关的。 交换芯片中都已经包含了MAC层。 PHY层主要完成信道编码、冲突检测、收发驱动、串并转换、自协商。 和物理媒体是紧密相关的。 本文档主要对PHY层及以下部分做讲解

PHY层的子层 FE或GE光口 光模块 PCS子层 100Base-Tx 2对双绞线 PMA层 物理接口 1000Base-Tx 4对双绞线 PCS子层：信道编码。10M，曼彻斯特编码；100M，4B/5B编码；1000M，8B/10B编码 PMA子层，媒体驱动。光口，NRZ编码；10M，曼彻斯特编码直接传输；100Base-Tx，MLT3，收发使用2对双绞线；1000Base-T，五电平编码，收发使用4对双绞线，回波抵消方式

PHY层自协商（一） 自协商功能可以使线路两端的设备交换信息，用来获得速度、双工、流控方面的最佳匹配工作模式。 实现机制： 双绞线上，使用快速链路脉冲（FLP）实现信息的交换：

PHY层自协商（二） 在光纤上，使用特殊字符经过8B/10B编码后交换信息： 这就决定了，只有在GE光口上可以实现自协商，而FE光口使用的是4B/5B不支持自协商。 8B/10B 编码 数据信息 并串转换 光模块 自协商信息 8B/10B编码后，使用/I/符号传送Idle信息、用/D/符号传送数据、用/C/符号传送自协商信息。

PHY层自协商（三） 并行检测功能（Parallel Detection ）： 当双绞线上的两端，有一端没有自协商能力的时候，并行检测机制可以保证链路依然可以Link。 但并行检测功能仅仅能够在速度上获得最佳匹配。 机制： 具备自协商能力的一方，在检测不到FLP时，检测10Base-T的特征信号和100Base-Tx的特征信号。这样得到对端的速度信息。 10Base-T的特征信号是NLP： 100Base-Tx的特征信号是4B/5B编码后的Idle符号。 并行检测功能仅在10M/100M下提供

MAC-PHY之间的接口 通常，MAC层和PHY层在物理实体上是不在一起的，这样就定义了一些这两层之间的标准接口，通过这些标准接口，不同厂家之间的MAC层芯片和PHY芯片可以对接到一起。 了解这些接口的意义： 1、对系统设计和电路设计有帮助； 2、在调试过程中，明确接口上的信号应该是什么样的。 3、故障定位时，可以从接口上捕获数据报文。

MII接口－媒体独立接口 工作速率100M/10M 数据位宽4Bit 收发时钟独立 收发时钟频率：25M/2.5M（100M/10M模式） 信号线数量：16 时钟类型：均由PHY提供 优点：时钟速率低，布线简单 缺点：信号数量多

MII典型连接 PHY MAC

工作时序 MII接口上的数据是承载的实际数据，可以直接在接口处得到帧内容。 没有错误时的接收时序 有错误时的接收时序

MII工作时序 当全双工工作时不需要CRS和COL信号 没有冲突时的发送时序 有冲突时的发送时序

RMII－紧凑的MII 工作速度：10M/100M 数据位宽：2bit 收发时钟共用 时钟频率50M 信号数量：8（时钟共用） 时钟类型：共用 优点：比MII信号少 缺点：比MII设计难度增大了

RMII典型连接

RMII工作时序

RMII工作时序 100M模式时，每个时钟周期数据被采样一次； 10M模式时，每10个时钟周期数据被采样1次，

SMII接口 工作速率：10M/100M 数据位宽：1bit 收发时钟共用 时钟频率：125M 信号数量：4根（多个通道时，时钟和同步信号可以共用） 时钟类型：共用 优点：信号数量少，多通道时优势明显 缺点：时钟频率高，且不随路，布线难度大

SMII典型连接

SMII工作时序

SMII工作时序说明 10/100M工作时，时钟不变，10M模式时每10个同步字，传送1字节

SS-SMII－源同步SMII 工作速率：10M/100M 数据位宽：1bit 收发时钟独立 时钟频率：125M 信号数量：6（发送时钟和发送同步可共用） 时钟类型：随路 优点：时钟随路，布线较容易 缺点：信号数量比SMII多

SS-SMII典型连接 MAC PHY TxClk TxSYNC TxD[0:n ] RxClk[0:n] RxSYNC[0:n] RxD[0:n ]

SS-SMII工作时序

GMII－千兆MII 工作速率：10M/100M/1000M 数据位宽：8bit/4bit 收发时钟独立 时钟频率：2.5M/25/125M 信号数量：23 时钟类型：随路 优点：兼容性好，设计简单 缺点：使用Giga模式时，PHY芯片比较贵

GMII典型连接

GMII工作时序

GMII工作时序

TBI－十bit（千兆）接口 工作速率：1000M 数据位宽：10bit 收发时钟独立 时钟频率125M 信号线数量：24 时钟类型：随路 优点：可以选用廉价的Serdes器件 缺点：只用于1000M光口模式

TBI典型连接 Serdes MAC/ PHY 光模块 说明： TxClk频率为125M，TxD数据在TxClk的上升沿采样； RxClk_N 光模块 RxClk_P RxD[9:0] 说明： TxClk频率为125M，TxD数据在TxClk的上升沿采样； RxClk_n和RxClk_p是相位相差180°的62.5M时钟，RxD数据同时在2个时钟的上升沿采样； Serdes仅仅做串并、并串的变换； 在TBI接口上传送的是经过8B/10B编码后的符号，因此接口上的速率是1.25G；

TBI工作时序

RGMII－紧凑的GMII接口 支持速率：10M/100M/1000M 数据位宽：4bit 收发时钟独立 时钟频率：2.5M/25/125M（DDR） 信号数量：12 时钟类型：随路 优点：兼容性好，设计简单

RGMII的信号连接 MAC PHY 说明： 收发时钟频率可变，10M模式时为2.5M，100M模式时为25M，GE模式时为125M； TxC MAC PHY TxCTL TxD[3:0] RxC RxCTL RxD[3:0] 说明： 收发时钟频率可变，10M模式时为2.5M，100M模式时为25M，GE模式时为125M； 收发数据信号，在10M、100M模式下，在时钟上升沿采样；在GE模式下，数据在时钟的上升沿和下降沿采样（DDR）； TxCTL：在时钟上升沿，表示TxEN，在时钟下降沿，表示TxEN xor TxEr RxCTL：在时钟上升沿，表示RxDV，在时钟下降沿，表示RxDV xor RxEr

RTBI接口 RTBI接口 工作速率：1000M 数据位宽：5bit 收发时钟独立 时钟频率125M 信号线数量：12 时钟类型：随路

RTBI的信号连接 MAC/PHY Serdes 光模块 说明： TxClk Serdes TxD[4:0] RxClk 光模块 RxD[4:0] 说明： TxClk频率为125M，TxD数据在TxClk的上升沿和下降沿采样（DDR）； RxClk频率为125M ，RxD数据在RxClk的上升沿和下降沿采样（DDR）； 在RTBI接口上传送的是经过8B/10B编码后的符号，因此接口上的速率是1.25G

SGMII接口 MAC PHY SGMII 串行的GMII接口，可以实现10M/100M/1000M三种速率的以太网接口。 TxD+ MAC PHY TxD- RxC+ RxC- RxD+ RxD- 串行的GMII接口，可以实现10M/100M/1000M三种速率的以太网接口。 也是信号最少的MAC-PHY接口： 只需要6根信号（或者4根信号），RxC信号可以省略。信号速率为1.25G。 其实，SGMII工作于1000M模式时，就是经过8B/10B编码后再经过并串后的串行信号，和GE光接口信号是完全一样的。 当SGMII工作于10M或100M时，信号每100个周期或每10个周期传送相同的一个数据。

SGMII接口直接驱动光模块 MAC 光模块 因为SGMII工作于1000M模式时，就是经过8B/10B编码后再经过并串后的串行信号， TxD+ MAC 光模块 TxD- RxD+ RxD- 因为SGMII工作于1000M模式时，就是经过8B/10B编码后再经过并串后的串行信号， 因此，如果令MAC层固定工作于1000M速率下，SGMII可以直接接光模块，实现GE光口。

MAC-PHY层之间的信息交互 MAC层 PHY层 PHY层必须和MAC层之间交互一些信息，比如：速度、Up/Down、双工等， MDC MAC层 以太网状态信息： SMI接口 以太网数据信息 MDIO PHY层 PHY层必须和MAC层之间交互一些信息，比如：速度、Up/Down、双工等， 这些信息通过一个单独的SMI接口交换。 接口信号很简单，只有2根信号线：MDC信号和MDIO信号。 通过SMI接口，MAC芯片主动的轮询PHY层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。 SMI命令中包含5bit的地址信息，不同的PHY端口必须使用不同的SMI地址，以做区别。轮询时，只有地址匹配的PHY器件做出相应的反应。

SMI接口信号的工作时序