011 媒体独立接口（MII，Meida Independent Interface）
一、MII接口
MII接口Medium Independent Interface
MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与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的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。"媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。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connector特性。
MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号，如下图所示：
提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名词术语，下面讲一下他们之间对应的关系。
所谓RS即Reconciliation sublayer，它的主要功能主要是提供一种MII和MAC/PLS之间的信号映射机制。它们(RS与MII)之间的关系如下图：
MII的Management Interface是与STA（Station Management）相连的。
关于本节，具体可参考IEEE以太网标准802.3的22.3 Signal timing characteristics节，其中包含时钟信号等更详细内容。
MII接口主要包括四个部分。一是从MAC层到PHY层的发送数据接口，二是从PHY层到MAC层的接收数据接口，三是从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包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口：
数据接口： 包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号，包括
TX_ER（transmit coding error）： 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，没用的。注：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，必须将它下拉接地。
TXD<3:0>（transmit data）： 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。
TX_EN： 发送使能。TX_EN由Reconciliation子层根据TX_CLK上升沿同步进行转换，时序如图22-16所示。
TX_CLK（transmit clock）： TX_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，TX_CLK由PHY驱动TX_CLK的时钟频率是数据传输速率的25%，偏差±100ppm。例如，100Mb/s模式下，TX_CLK时钟频率为25MHz，占空比在35%至65%之间。
COL（collision detected）： COL不需要同步于参考时钟。The behavior of the COL signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one（自动协商禁止，人工设为全双工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半双工模式信号有效，全双工模式信号无效。
RXD<3:0>（receive data）： RXD由RS驱动，同步于RX_CLK，在RX_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RS没有任何影响。While RX_DV is de-asserted, the PHY may provide a False Carrier indication by asserting the RX_ER signal while driving the value <1110> onto RXD<3:0>。
RX_ER（receive error）： RX_ER同步于RX_CLK，其在RX通道中的作用类似于TX_ER对于TX通道数据传输的影响。
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。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。
CRS（carrier sense）： CRS不需要同步于参考时钟，只要通道存在发送或者接收过程，CRS就需要有效。The behavior of the CRS signal is unspecified when the duplex mode bit0.8 inthe control register is set to a logic one(自动协商禁止，人工设为全双工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半双工模式信号有效，全双工模式信号无效。
RX_DV（Receive Data Valid）： RXD_DV同步于RX_CLK，被PHY驱动，它的作用如同于发送通道中的TX_EN，不同的是在时序上稍有一点差别：为了让数据能够成功被RS接收，要求RXD_DV有效的时间必须覆盖整个FRAME的过程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter。
MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。
MII管理接口： 是个双信号接口，通过管理接口，MAC就能监视和控制PHY。其管理是使用SMI(Serial Management Interface) 总线通过读写PHY的寄存器来完成的。一个是时钟信号（***MDC (management data clock)***）。另一个是数据信号（***MDIO (management data input/output)***）。
MDC： 由站管理实体向PHY提供，作为在MDIO信号上传送信息的定时参考。 MDC是一种非周期性的信号，没有最高或最低时间。 无论TX_CLK和RX_CLK的标称周期如何，MDC的最小高低时间应为160 ns，MDC的最小周期为400 ns。
MDIO： 是PHY和STA之间的双向信号。 它用于在PHY和STA之间传输控制信息和状态。 控制信息由STA同步地针对MDC驱动并且由PHY同步地采样。 状态信息由PHY针对MDC同步驱动并由STA同步采样。
MII接口信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| TX_CLK | 发送时钟 | PHY → MAC |
| TX_ER | 发送数据错误 | MAC → PHY |
| TX_EN | 发送使能 | MAC → PHY |
| TXD0 | 发送数据位0（最先传输） | MAC → PHY |
| TXD1 | 发送数据位1 | MAC → PHY |
| TXD2 | 发送数据位2 | MAC → PHY |
| TXD3 | 发送数据位3 | MAC → PHY |
| RX_CLK | 接收时钟 | PHY → MAC |
| RX_DV | 接收数据有效 | PHY → MAC |
| RX_ER | 接收数据错误 | PHY → MAC |
| RXD0 | 接收数据位0（最先传输） | PHY → MAC |
| RXD1 | 接收数据位1 | PHY → MAC |
| RXD2 | 接收数据位2 | PHY → MAC |
| RXD3 | 接收数据位3 | PHY → MAC |
| CRS | 载波监测 | PHY → MAC |
| COL | 冲突碰撞监测 | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
MAC 通过MIIM 接口读取PHY 状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。也可以通过 MIIM设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。当时钟频率为2.5MHz时，对应速率为10Mb/s。
PHY 里面的部分寄存器是IEEE定义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里面，MAC 通过SMI 总线不断的读取PHY 的状态寄存器以得知目前PHY 的状态。例如连接速度、双工的能力等。当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的。例如流控的打开关闭、自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的MII总线和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是由IEEE的规范的。因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。
MII支持10Mbps和100Mbps的操作，一个接口由14根线组成，它的支持还是比较灵活的。但是有一个缺点是因为它一个端口用的信号线太多，如果一个8端口的交换机要用到112根线，16端口就要用到224根线，到32端口的话就要用到448根线。一般按照这个接口做交换机是不太现实的。所以现代的交换机的制作都会用到其它的一些从MII简化出来的标准，比如RMII、SMII、GMII等。
二、RMII，SMII，GMII，RGMII
RMII
RMII(Reduced Media Independant Interface)
简化媒体独立接口是标准的以太网接口之一，比MII有更少的I/O传输。RMII收发使用2位数据进行传输，收发时钟均采用50MHz时钟源。
RMII口是用两根线来传输数据的，MII口是用4根线来传输数据的，GMII是用8根线来传输数据的。MII/RMII只是一种接口，对于10Mbps线速，MII的时钟速率是2.5MHz就可以了，RMII则需要5MHz；对于100Mbps线速，MII需要的时钟速率是25MHz，RMII则是50MHz。
MII/RMII用于传输以太网包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太网的PHY里需要做串并转换，编解码等才能在双绞线和光纤上进行传输，其帧格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。以太网帧的格式为：前导符+开始位+目的mac地址+源mac地址+类型/长度+数据+padding(optional)+32bitCRC。如果有vlan,则要在类型/长度后面加上2个字节的vlan tag，其中12bit来表示vlan id,另外4bit表示数据的优先级！
RMII接口信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| REF_CLK | 参考时钟 | MAC→PHY或由外部时钟源提供 |
| TX_EN | 发送数据使能 | MAC → PHY |
| TXD0 | 发送数据位0（最先传输） | MAC → PHY |
| TXD1 | 发送数据位1 | MAC → PHY |
| RX_ER | 接收错误 | PHY → MAC |
| RXD0 | 接收数据位0（最先传输） | PHY → MAC |
| RXD1 | 接收数据1 | PHY → MAC |
| CRS_DV | 载波和接收数据有效 | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
其中CRS_DV是MII中RX_DV和CRS两个信号的合并，当物理层接收到载波信号后CRS_DV变得有效，将数据发送给RXD。当载波信号消失后，CRS_DV会变为无效。在100M以太网速率中，MAC层每个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，在10M以太网速率中，MAC层每10个时钟采样一次RXD[1:0]上的数据，此时物理层接收的每个数据会在RXD[1:0]保留10个时钟。
SMII
SMII（Serial Media Independant Interface）,串行MII接口。它包括TXD,RXD,SYNC三个信号线，共用一个时钟信号，此时钟信号是125MHz,信号线与此时钟同步。信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| REF_CLK | 参考时钟 | 外部时钟源提供125MHz |
| TXD | 发送数据 | MAC → PHY |
| RXD | 接收数据 | PHY → MAC |
| SYNC | 同步信号 | - |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
SYNC是数据收发的同步信号，每10个时钟同步置高一次电平，表示同步。TXD和RXD上的数据和控制信息，以10bit为一组。发送部分波形如下：
从波形可以看出，SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD依次输出一组10bit的数据即TX_ER,TX_EN,TXD[0:7]，这些控制信息和MII接口含义相同。在100M速率中，每一组的内容都是变换的，在10M速率中，每一组数据需要重复10次，采样任一一组都可以。
GMII
GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000。
发送器： 在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信号、TXD、TXEN、TXER信号与此时钟信号同步。否则在10/100Mbps速率下，PHY提供TXCLK时钟信号，其它信号与此信号同步。其工作频率为25MHz(100M网络)或2.5MHz(10M网络)。
GTXCLK——吉比特TX…信号的时钟信号(125MHz)
TXCLK——10/100Mbps信号时钟
TXD[7…0]——被发送数据
TXEN——发送器使能信号
TXER——发送器错误(用于破坏一个数据包)
接收器：
RXCLK——接收时钟信号(从收到的数据中提取,因此与GTXCLK无关联)
RXD[7…0]——接收数据
RXDV——接收数据有效指示
RXER——接收数据出错指示
COL——冲突检测(仅用于半双工状态)
管理配置： 管理配置接口控制PHY的特性。该接口有32个寄存器地址，每个地址16位。其中前16个已经在“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中规定了用途,其余的则由各器件自己指定。
MDC——配置接口时钟
MDIO——配置接口I/O
GMII信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| GTX_CLK | 1000M发送时钟 | MAC → PHY |
| TX_CLK | 100/10M发送时钟 | MAC → PHY |
| TX_ER | 发送数据错误 | MAC → PHY |
| TX_EN | 发送使能 | MAC → PHY |
| TX_[7:0] | 发送数据8bit | MAC → PHY |
| RX_CLK | 接收时钟 | PHY → MAC |
| RX_DV | 接收数据有效 | PHY → MAC |
| RX_ER | 接收数据错误 | PHY → MAC |
| RX_[7:0] | 接收数据8bit | PHY → MAC |
| CRS | 载波监测 | PHY → MAC |
| COL | 冲突碰撞监测(仅用于半双工状态) | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
RGMII
RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。相对于GMII相比，RGMII具有如下特征：
- 发送/接收数据线由8条改为4条
- TX_ER和TX_EN复用，通过TX_CTL传送
- RX_ER与RX_DV复用，通过RX_CTL传送
- 1 Gbit/s速率下，时钟频率为125MHz
- 100 Mbit/s速率下，时钟频率为25MHz
- 10 Mbit/s速率下，时钟频率为2.5MHz
信号定义如下：
| 信号名称 | 描述 | 方向 |
|---|---|---|
| TXC | 发送时钟 | MAC→PHY |
| TX_CTL | 发送数据控制 | MAC → PHY |
| TXD[3:0] | 发送数据4bit | MAC → PHY |
| RXC | 接收时钟 | PHY → MAC |
| RX_CTL | 接收数据控制 | PHY → MAC |
| RXD[3:0] | 接收数据4bit | PHY → MAC |
| MDIO | 管理数据 | 双向 |
| MDC | 管理数据时钟 | MAC → PHY |
虽然RGMII信号线减半，但TXC/RXC时钟仍为125Mhz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信号TX_CTL反应了TX_EN和TX_ER状态，即在TXC上升沿发送TX_EN,下降沿发送TX_ER，同样的道理试用于RX_CTL，下图为发送接收的时序：
三、MII接口对比
表8‑2 MII接口对比
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简述 |
Pins |
速率计算 |
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MII |
基本的100Mbps/10Mbps接口 |
RXD[3:0]、TXD[3:0] TX_ER、TX_EN RX_ER、RX_DV TX_CLK、RX_CLK CRS、COL |
Clock=25MHz or 2.5MHz 数据位宽4bit（一个时钟周期传输4bit数据） 100Mbps=25 MHz *4bit 10Mbps=2.5 MHz *4bit |
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RMII |
在MII基础上精简的100Mbps/10Mbps接口； 通过提升Clock频率保持与MII一样的速率； |
RXD[1:0]、TXD[1:0] TX_EN RX_ER CLK_REF CRS_DV |
Clock=50MHz 数据位宽2bit（一个时钟周期传输2bit数据） 100Mbps=50 MHz *2bit 10Mbps是利用10个周期采样一次数据，相当于 10Mbps=50MHz/10*2bit |
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SMII |
串行MII 100Mbps/10Mbps接口； 进一步提升Clock频率保持与MII一样的速率； |
RXD[1:0] TXD[1:0] TX_EN RX_ER CLK_REF CRS_DV |
Clock=125MHz 数据位宽1bit（一个时钟周期传输1bit数据） 串行数据帧：一帧10bit（8bit data+2bit control） 计算有效带宽时需要去掉控制位 100Mbps=125 MHz *（8bit/10bit） 10Mbps是利用10个周期采样一次数据，相当于 10Mbps=（125 MHz/10）*（8bit/10bit） |
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GMII |
在MII接口基础上提升了数据位宽和Clock频率成为1000Mbps接口 |
RXD[7:0]、TXD[7:0] TX_ER、TX_EN RX_ER、RX_DV GTX_CLK、RX_CLK CRS、COL |
Clock=125MHz 数据位宽8bit（一个时钟周期传输8bit数据） 1000Mbps=125 MHz *8bit |
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RGMII |
GMII的简化版本 |
RXD[3:0]、TXD[3:0] TX_EN RX_DV TX_CLK、RX_CLK CRS、COL |
Clock=125MHz 数据位宽4bit（一个时钟周期里，上升沿取TX\RX的0-3bit，下降沿取TX\RX的4-7bit，所以实际还是在一个时钟周期里传输8bit数据） 1000Mbps=125 MHz *8bit 100Mbps=25 MHz *8bit 10Mbps=2.5MHz *8bit |
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SGMII |
串行GMII，在此基础上提升了时钟频率达到1000Mbps |
RXD[0]、TXD[0] RX_CLK |
Clock=125MHz 数据位宽1bit（一个时钟周期传输1bit数据） 串行数据帧：一帧10bit（8bit data+2bit control） 计算有效带宽时需要去掉控制位 1000Mbps=125 0MHz *（8bit/10bit） |
MII接口直接的区别与联系通过上表很容易进行区分。
四、参考资料
1、微信公众号OpenFPGA，https://mp.weixin.qq.com/s/B84yB2LkSfl4KTdgypS4hg
2、https://blog.csdn.net/ChenGuiGan/article/details/108603550
3、https://blog.csdn.net/zcshoucsdn/article/details/80090802#comments
