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02---千兆(十兆、百兆、千兆自适应)以太网电路设计

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视频链接:千兆(十兆、百兆、千兆自适应)以太网电路设计01_哔哩哔哩_bilibili

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

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