千兆网PHY自学笔记

一、技术简介

1.1名词解释

千兆网，又称吉比特以太网（Gigabit Ethernet）是一个描述各种以1G比特每秒速率进行以太网帧传输技术

千兆网的传输方式有多种，我们这篇笔记以1000BASE-T为例。1000BASE-T在IEEE 802.3ab中规定，该标准于1999年通过，该标准将吉比特以太网定义为利用非屏蔽双绞线（Unshielded Twist Pair）五类线（Category 5）或六类线缆（Category 6）进行的数据传输，并被称作1000BASE-T。在 802.3ab 标准中，吉比特以太网成为一种可以利用现有的铜缆基础设施实行的技术。

1.2基本技术原理

1000BASE-T PHY 支持通过 4 对最低为 CAT5 的对称电缆进行全双工基带传输。 1000Mb/s 通过四个线对，每对 250Mb/s 的传输速率实现。使用混合器及消除器允许在同一时间在同一线对上传送和接收符号，可实现全双工传输。每个线对使用 125 MBd 调制率的基带信号。传送的符号从四维五级符号结构 (4DPAM5) 中选择。

二、技术细节

2.1 基本结构

基本结构分为MAC、PHY个MDI三部分，这个在前面都讲过。

接下来我们看一下PHY部分的分层，下面这张图截取自IEEE 802.3ab

GMII：千兆网的媒体独立接口，用来和MAC进行通信。

PCS：物理编码子层，用来对数据进行编码(在发送数据时)和解码(当接收数据时)。在千兆网中用的8b/10b编码。

PMA：物理媒体连接子层，向PCS子层提供与媒体无关的方法，以支持使用面向串行比特的物理媒体。执行并串/串并转换。

PMD：物理媒体相关子层，定义物理层信令和媒体相关接口(MDI)，以及所支持的媒体类型。在千兆网中最终产生的就是四个差分对类型的信号。

MDI：媒体相关接口，用来将PMD子层和物理层的线缆连接。在千兆网中就是四对差分对。

2.2 MAC 层接口

从 MAC 层接口到千兆 PHY， IEEE 802.3ab 标准中有三种不同的选择：标准介质独立接口 (MII) GMII、SGMII 或 RGMII。

2.2.1 GMII

GMII 的用途是使各种物理介质对 MAC 层透明。GMII 可接受GMII 或MII 数据、控制和状态信号，并分别将其路由到1000BASE-T、100BASE-TX 或10BASE-T 模块。

GMII 提供全双工操作并且是8 位宽传输及接收数据通道接口，采用125 MHz 时钟，设定速度可达1000Mb/s。GMII 向后兼容MII 规范，从而支持 10 (2.5MHz) 及100 (25MHz) Mb/s 速率。数据和定界符与时钟基准同步。它同时提供简单的管理接口。具体信号定义如下：

发送器：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信号的时钟信号（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M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）

注：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10/100M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）。

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）

GMII 使用总共最多 25 引脚。

2.2.2 RGMII

RGMII 旨在减少连接在MAC 与PHY 的引脚数（相对于GMII 的24 引脚，RGMII 只需12 引脚）。通过优化， RGMII 由 12 个信号组成：

6 个接收信号：RX_CTL、RX_CLK 和RX_D[3:0]

6 个发送信号：TX_CTL、TX_CLK 和TX_D[3:0]

相比于GMII，RGMII信号线减少了，时钟信号依然为125M，但是要保证1000M数据传输。为实现此目标，数据通道及所有相关控制信号都被减少并多路复用。时钟的上升沿与下降沿均使用。在千兆运行过程中，GTX_CLK 和RX_CLK 时钟为125MHz，对于10 和100Mb/s 运行，时钟频率分别为2.5MHz 和25MHz。

2.2.3 SGMII

SGMII即Serial GMII，串行GMII，收发各一对差分信号线，时钟频率625MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿均采样。因为SGMII使用了serdes技术，用到了8b/10b (SerDes) 编码。所以SGMII接口的速率依然是625M*2*8b/10b=1000M。SGMII接口抗干扰能力比较强，可以通过背板进行信号传输。

2.2.4 串行管理接口

串行管理接口SMI)由管理数据时钟MDC以及管理数据输入/输出(MDIO) 信号组成。它可以对PHY 的内部寄存器空间的状态信息及配置进行访问。当一个地址被用于识别相应 PHY 受控端，基于串行通信协议，MDC 以及MDIO 信号可以在几个PHY 之间共享。

2.3编码技术

PHY中的PCS层是物理编码子层，用来对MAC层通过GMII或者RGMII发送来的数据进行编码以便通过MDI传输，当然也同样承担着解码任务。编码完成的任务是保证高速的数据能正常通过线缆进行传输。

1000Base-T在PCS层使用4D-PAM5编码，所谓的PAM5表示每个码元有五个电平-2,-1,0,1,2，但是每个码元只能表示4个符号，00，01，10，11，因为还有一个电平表示前向纠错码FEC。所以一个码元能传输2bit信息（4=2^2）。这样做比我们平常的二电平编码提高了带宽利用率，并能把波特率和所需信号带宽减为原来的一半（125Mbps）。但多电平编码需要用多位A/D，D/A转换，采用更高的传输信噪比和更好的接收均衡性能。

PCS层其实将8bit数据转换成4个码元。数据在PMD层需要再做一个8b/10b编码，然后将数据放到4个差分对上进行传输，所以每个差分对上的码元速率为1000M/8*4/4=125M。所以，尽管是千兆速率，但实际上对示波器的带宽要求只需能高保真采集125MHz信号即可。

所以在差分信号对上我们测试到的眼图应该是下面这样的。五个电平四只眼，周期是8ns。