RGMII接口及时序详解

一、RGMII接口介绍

以太网的通信离不开物理层 PHY 芯片的支持，以太网 MAC 和 PHY 之间有一个接口，常用的接口有MII、 RMII、 GMII、 RGMII 等。

RGMII接口如下：

RGMII 是 GMII 的简化版，数据位宽为 4 位

• 在 1000Mbps 传输速率下，时钟频率为 125Mhz，在时钟的上下沿同时采样数据
• 在 100Mbps传输速率下，时钟频率为25MHz，为单个时钟沿采样
• 在 10Mbps传输速率下，时钟频率为2.5MHz，为单个时钟沿采样

二、MAC和PHY

1.关系

MAC（介质访问控制）和PHY（物理层）是网络通信中两个互补的组件，它们共同工作以实现数据在网络中的传输。它们在OSI模型中分别对应不同的层次：

• MAC层：
  • MAC层位于OSI模型的数据链路层的上层，负责控制对共享介质（如以太网）的访问。
  • 它处理帧的封装和拆封，包括添加MAC头部和尾部，以及处理错误检测和控制机制。
  • MAC层还负责多路访问和冲突解决，例如在以太网中通过CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议。
  • MAC地址，也称为物理地址或硬件地址，是网络设备在网络中的唯一标识，由MAC层管理。
• PHY层：
  • PHY层位于OSI模型的数据链路层的下层，直接与传输媒介（如电缆、光纤、无线电波等）交互。
  • 它负责通过物理媒介传输和接收比特流，包括信号编码、调制解调、信号放大和时钟恢复。
  • PHY层定义了电气特性，如电压水平、阻抗匹配、数据速率、最大传输距离等。
  • 它还可能包括介质相关接口（MDI）和物理编码子层（PCS），用于进一步处理数据以适应特定的传输媒介。

2.MAC和PHY的交互

• MAC层生成要传输的数据帧，并将它们发送到PHY层。
• PHY层接收来自MAC层的帧，将其转换为适合在物理媒介上传输的信号，并发送出去。
• 当PHY层接收到来自物理媒介的信号时，它将信号转换回帧，并将其发送到MAC层。
• PHY层还负责与链路伙伴（如交换机、路由器或另一台主机）的PHY层进行协商，以确定最佳的传输参数，如速率、双工模式等。

3.MAC为什么要配置PHY

MAC（Media Access Control，介质访问控制）是网络接口的一部分，负责管理和控制数据在物理媒介上的传输。PHY（Physical Layer，物理层）是网络接口的另一个重要组成部分，它负责通过物理媒介（如电缆、光纤等）传输和接收实际的比特流。MAC和PHY共同工作以实现网络通信。

MAC需要配置PHY的原因包括：

1. 物理层参数：不同的物理媒介有不同的特性和要求，例如信号速率、双工模式（全双工或半双工）、流控制等。配置PHY可以确保数据传输符合所使用的物理媒介的特性。
2. 接口标准化：配置PHY有助于确保网络设备遵循特定的标准（如以太网、Wi-Fi等），这些标准定义了物理层的操作方式。
3. 自动协商：许多网络设备使用自动协商来确定最佳的传输速率和模式。通过配置PHY，可以实现速率和双工模式的自动协商。
4. 信号完整性：PHY负责信号的生成和接收，配置PHY可以优化信号的完整性，减少噪声和干扰，提高数据传输的可靠性。
5. 错误检测和纠正：某些PHY支持错误检测和纠正机制，配置PHY可以启用这些机制，从而提高数据传输的准确性。
6. 电源管理：PHY可能包含电源管理功能，如节能模式，配置PHY可以优化设备的能耗。
7. 远程监控：配置PHY还可以允许远程监控物理层的状态，包括链路状态、速率、错误统计等。
8. 兼容性：不同的网络设备可能使用不同的PHY芯片或技术，配置PHY确保MAC层与PHY层兼容，从而实现无缝通信。
9. 高级功能：一些高级网络功能，如优先级队列、虚拟局域网（VLAN）标记等，可能需要PHY支持特定的硬件功能。
10. 故障诊断：配置PHY有助于故障诊断，因为它可以提供链路状态和错误信息，帮助网络管理员识别和解决问题。

总之，MAC配置PHY是为了确保网络接口能够在物理层上正确、高效、可靠地传输数据，并与网络中的其他设备兼容。

4.如何配置

（1）原理

MDIO(Management Data Input/Output，管理数据输入输出) 是一种简单的双线串行接口。该总线由 IEEE 通过以太网标准 IEEE 802.3 的若干条款加以定义。可收集的信息包括链接状态、传输速度与选择、断电、低功率休眠状态、TX\RX 模式选择、自动协商控制、环回模式控制等。

其包含 2 个引脚：MDC 和 MDIO。MDC 管理数据的时钟输入，最高速率 8.3 MHz；MDIO 管理数据的输入输出，数据是与 MDC 时钟同步的。

通过FPGA向PHY操作的数据格式如下：

• Preamble：32bits的前导码，全1。
• Start：2bit的开始位
• PHY adress：5bits的PHY地址，
• Register adress：5bits的寄存器地址
• Turn-around：2bits的TA，在读命令中，MDIO在此时由MAC驱动改为PHY驱动，并等待一个时钟周期准备发送数据。在写命令中，不需要MDIO方向发生变化，则只是等待两个时钟周期准备写入数据。
• Register data：16bits数据，在读命令中，PHY芯片将读到的对应PHYAD的REGAD寄存器的数据写到Data中，在写命令中，MAC将要写入对应PHYAD的REGAD寄存器的值写入Data中。
• Idle：空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态。

下面给出读写两种情况下的MDIO和MDC的时序图：

①写操作

②读操作

时序图中与手册规定的不一样，并没有采用32bit的前导码。

对寄存器进行配置或读取时，需要按照上述的数据格式，通过MDIO一比特一比特的传输到PHY中。

（2）PHY地址的确定

要确定PHY芯片的地址，需要查看PHY芯片手册以及板卡原理图。

①PHY芯片手册决定了控制信号和PHY地址的对应关系

②板卡原理图决定了PHY地址的控制信号所连接的对象

接下来以手上的一个325t的办卡进行举例：

先看一下PHY芯片手册：

可以看到各个控制信号对应的管脚信息，并且说明了CONFIG[0]决定了PHY地址的低3位，CONFIG[1]决定了PHY地址的高两位。

查看板卡原理图：

我们可以发现，CONFIG[0]连接着PHYA_LED_RX，CONFIG[1]连接着PHYA_LED_LINK1000。我们查看88E1111的手册，如下：

可知LED_RX对应010，LED_LINK1000对应100，因此CONFIG[0]对应的PHY地址低3位为010，CONFIG[1]对应的PHY地址高2位为00，因此PHY地址为00010。

（3）寄存器地址及配置数据

我们以控制寄存器0举例，为了配置千百兆模式需要对控制寄存器0的bit6和bit13进行配置。

因此寄存器地址为0，将寄存器数据的bit13、bit6按照需要的模式进行配置，其他功能可对对应bit配置相应数据。

三、88E1111中PHY的时序

1.接收端时序

接收端信号时序如下图所示：

一般的PHY芯片包含两种RGMII接收端口时序模式，分别为延时模式和非延时模式，通过控制寄存器20的bit7实现，当其为1时是延时模式，为0时是非延时模式，默认情况下是非延时模式。

（1）非延时模式

非延时模式下，接收时钟与接收数据信号边沿对其。

（2）延时模式

延时模式下时钟信号RX_CLK的边沿处于数据和控制信号的中心位置，此时的RX_CLK相对于数据和控制信号有2ns的延迟（2ns是因为在1000M速率下时钟为125MHz，一个时钟周期为8ns，一个数据的有效时间为4ns）

2.发送端时序

发送端信号时序如下图所示：

一般的PHY芯片包含两种RGMII发送端口时序模式，分别为延时模式和非延时模式，通过控制寄存器20的bit1实现，当其为1时是延时模式，为0时是非延时模式，默认情况下是非延时模式。

（1）非延时模式

非延时模式下时序图如上图所示，可知在此模式下时钟信号TX_CLK的边沿处于数据和控制信号的中心位置，此时的TX_CLK相对于数据和控制信号有2ns的延迟（2ns是因为在1000M速率下时钟为125MHz，一个时钟周期为8ns，一个数据的有效时间为4ns）。

（2）延时模式

延时模式下，要求发送时钟和数据及控制信号的边沿对齐。

四、Xinlinx中处理RGMII接口的数据

1.IDDR

（1）作用及接口说明

IDDR（Input Double Data Rate）原语是Xilinx FPGA中用于处理双数据速率信号的一种原语，它将输入的双被速率数据转换为单倍速率信号。

（2）三种工作模式

它支持三种不同的工作模式，这些模式决定了IDDR如何对输入数据进行采样以及输出数据的生成方式：

• OPPOSITE_EDGE模式：在这种模式下，IDDR将在时钟的上升沿和下降沿都进行数据采样。这意味着每个时钟周期的上升沿和下降沿都会有数据变化，实现双沿传输。输出Q1在时钟的每个上升沿提供在该上升沿采集到的数据，而Q2在时钟的每个下降沿提供在该下降沿采集到的数据。

  

• SAME_EDGE模式：此模式与OPPOSITE_EDGE模式的输入信号时序一致，但区别在于Q1和Q2都只在时钟的上升沿输出数据。在第一个上升沿，Q1输出在该上升沿采集到的数据，而在随后的下降沿，Q2采集数据，并在第二个上升沿，Q1输出第二个上升沿采集的数据，Q2输出第一个下降沿采集的数据。

  

• SAME_EDGE_PIPELINED模式：这是最常用的数据采集模式。与SAME_EDGE模式类似，但Q1的输出数据会延迟一个时钟周期，使得Q1和Q2的第一个数据至最后一个数据进行对齐，这样方便后续逻辑的操作，但代价是Q1的输出数据会有一个时钟周期的延迟

  

（3）数据处理过程

2.ODDR

（1）作用及接口说明

它的功能是将单倍速率的数据转化成双倍速率的数据。

（2）工作模式

ODDR支持两种不同的工作模式：

• OPPOSITE_EDGE模式：在此模式下，ODDR在时钟的上升沿采集D1输入信号，并在上升沿将采集到的信号输出；在时钟的下降沿采集D2输入信号，并在下降沿将采集到的信号输出。这种模式使用起来相对复杂，因为FPGA内部需要在时钟的上升沿给D1赋值，在时钟的下降沿给D2赋值，一般不常使用1820。

  

• SAME_EDGE模式：此模式下，ODDR在时钟的上升沿同时采集D1和D2的数据，然后在时钟的上升沿输出采集的D1数据，在下降沿输出采集的D2数据。这种方式实现起来比较简单，属于常用的模式20。

  

（3）数据处理过程

3.IDELAYE2

用于将数据延迟一段时间。

例化：

(* IODELAY_GROUP = <iodelay_group_name> *) // Specifies group name for associated 
IDELAYs/ODELAYs and IDELAYCTRL
 IDELAYE2 #(
 .CINVCTRL_SEL("FALSE"), // Enable dynamic clock inversion (FALSE, TRUE)
 .DELAY_SRC("IDATAIN"), // Delay input (IDATAIN, DATAIN)
 .HIGH_PERFORMANCE_MODE("FALSE"), // Reduced jitter ("TRUE"), Reduced power ("FALSE")
 .IDELAY_TYPE("FIXED"), // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE
 .IDELAY_VALUE(0), // Input delay tap setting (0-31)
 .PIPE_SEL("FALSE"), // Select pipelined mode, FALSE, TRUE
 .REFCLK_FREQUENCY(200.0), // IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (190.0-210.0, 
290.0-310.0).
 .SIGNAL_PATTERN("DATA") // DATA, CLOCK input signal
 )
 IDELAYE2_inst (
 .CNTVALUEOUT(CNTVALUEOUT), // 5-bit output: Counter value output
 .DATAOUT(DATAOUT), // 1-bit output: Delayed data output
 .C(C), // 1-bit input: Clock input
 .CE(CE), // 1-bit input: Active high enable increment/decrement input
 .CINVCTRL(CINVCTRL), // 1-bit input: Dynamic clock inversion input
 .CNTVALUEIN(CNTVALUEIN), // 5-bit input: Counter value input
 .DATAIN(DATAIN), // 1-bit input: Internal delay data input
 .IDATAIN(IDATAIN), // 1-bit input: Data input from the I/O
 .INC(INC), // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input
 .LD(LD), // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input
 .LDPIPEEN(LDPIPEEN), // 1-bit input: Enable PIPELINE register to load data input
 .REGRST(REGRST) // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input
 );
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

延时值如下：

$$\begin{gathered} 延时值=600ps+tap\ast resolution \\ resolution=\frac{1}{64\ast f}（us） \end{gathered}$$

其中f频率的单位为MHz，tap值为CNTVALUEIN的值。

详细可参考下面文章：

Xilinx IDELAYE2应用笔记及仿真实操-CSDN博客