02---千兆(十兆、百兆、千兆自适应)以太网电路设计

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千兆以太网电路设计

1、以太网的概述：

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。

从硬件的角度来说，以太网接口电路主要由MAC（Media Access Control：媒体访问控制）控制器和物理层接口 PHY（Physical Layer，PHY）两大部分构成。MAC指媒体访问控制子层协议，它和PHY接口既可以整合到单颗芯片内，也可以独立分开，MAC控制器由FPGA实现，PHY芯片指开发板板载的以太网芯片。

什么是phy？

phy是物理层接口收发器的意思，是一个AD电路(数模混合电路)，phy自身可以看作是一种ADC/DAC电路，TX是DAC，RX是ADC。

PHY芯片在发送数据时,首先将MAC发过来的并行数据（FPGA发送出来的数据）转化为串行流数据,按照物理层的编码规则把数据编码转换为模拟信号（网线上传输的差分信号）通过网口发送出去,接收数据的流程反之。

2、以太网接口介绍

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。

MII（Medium Independent Interface，媒体独立接口）：MII 支持 10Mbps和100Mbps的操作，数据位宽为4位，在100Mbps传输速率下，时钟频率为25Mhz。“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。MII接口一共有16根线。

RMII（Reduced MII）：RMII是MII的简化版，数据位宽为2位，在100Mbps传输速率下，时钟频率为 50Mhz。

GMII（Gigabit MII）：GMII接口向下兼容 MII接口，支持10Mbps、100Mbps和1000Mbps的操作，数据位宽为8位，在1000Mbps传输速率下，时钟频率为125Mhz。

RGMII（Reduced GMII）：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和10Mbps通信速率下，为单个时钟沿采样。

在千兆以太网中，常用的接口为RGMII和GMII接口。RGMII接口的优势是同时适用于10M/100M/1000Mbps通信速率，同时占用的引脚数较少。但RGMII接口也有其缺点，就是在PCB布线时需要尽可能对时钟、控制和数据线进行等长处理，且时序约束相对也更为严格。

3、RGMII 接口---MAC 侧与 PHY 侧接口连接

ETH_RXC：接收数据参考时钟，1000Mbps速率下，时钟频率为125MHz，时钟为上下沿同时采样；100Mbps速率下，时钟频率为25MHz；10Mbps速率下，时钟频率为2.5MHz，ETH_RXC由PHY侧提供。

ETH_RXCTL（ETH_RX_DV; (Reveive Data Valid)）：接收数据有效信号，作用类型于发送通道的TX_EN。

ETH_RXD：(Receive Data)[3:0]：数据接收信号，共4根信号线； 四位并行的接收数据线。

RX_ER(Receive Error)：接收数据错误提示信号，同步于RX_CLK，高电平有效，表示RX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，RX_ER不起作用；

ETH_TXC：发送参考时钟，1000Mbps速率下，时钟频率为 125MHz，时钟为上下沿同时采样；100Mbps速率下，时钟频率为25MHz；10Mbps 速率下，时钟频率为2.5MHz，ETH_TXC由MAC侧提供。

ETH_TXCTL（ETH_TXEN）：发送数据控制信号。

TX_ER(Transmit Error)：发送数据错误提示信号，同步于TX_CLK，高电平有效，表示TX_ER有效期内传输的数据无效。对于10Mbps速率下，TX_ER不起作用；

TX_EN(Transmit Enable)：发送使能信号，只有在TX_EN有效期内传的数据才有效；

ETH_TXD：四位并行的发送数据线。

ETH_RESET_N：芯片复位信号，低电平有效。

CRS：Carrier Sense，载波侦测信号，不需要同步于参考时钟，只要有数据传输，CRS就有效，另外，CRS只有PHY在半双工模式下有效；

COL：Collision Detectd，冲突检测信号，不需要同步于参考时钟，只有PHY在半双工模式下有效。（CRS和COL这两个引脚一般用在半双工的模式，一般用不着）

ETH_MDC：数据管理时钟（Management Data Clock），该引脚对 ETH_MDIO 信号提供了一个同步的时钟。

ETH_MDIO：数据输入/输出管理（Management Data Input/Output），该引脚提供了一个双向信号用于传递管理信息。

4、十兆、百兆网、千兆网

以太网的分类有标准以太网（10Mbit/s），快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网（1000Mbit/s）。随着以太网技术的飞速发展，市场上也出现了万兆以太网（10Gbit/s）。

以太网接口：

以太网通信离不开连接端口的支持，网络数据连接的端口就是以太网的接口。以太网接口类型有RJ45接口，RJ11接口（电话线接口），SC光纤接口等。其中，RJ45是常见的网络设备接口。

RJ45是布线系统中信息插座（即通信引出端）连接器的一种，连接器由插头（接头、水晶头）和插座（模块）组成，RJ是Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”。

RJ45 接口俗称“水晶头”，专业术语为 RJ45连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成，属于双绞线以太网接口类型。RJ45 插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与 RJ45 插槽卡住以防止脱落。

RJ45接口定义以及各引脚功能说明如下图所示，在以太网中只使用了1、2、3、6这四根线，其中1、2这组负责传输数据（TX+、TX-），而3、6这组负责接收数据（RX+、RX-），另外四根线是备用的。

HR911105A     RJ45网络变压器百兆

HR911130C     RJ45网络变压器千兆

5、常用以太网PHY芯片选型

6、硬件设计

7、以太网之PCB设计规范