一、技術(shù)簡介

1.1名詞解釋

千兆網(wǎng)，又稱吉比特以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）是一個(gè)描述各種以1G比特每秒速率進(jìn)行以太網(wǎng)幀傳輸技術(shù)

千兆網(wǎng)的傳輸方式有多種，我們這篇筆記以1000BASE-T為例。1000BASE-T在IEEE 802.3ab中規(guī)定，該 標(biāo)準(zhǔn)于1999年通過，該標(biāo)準(zhǔn)將吉比特以太網(wǎng)定義為利用非屏蔽雙絞線（Unshielded Twist Pair）五類線（Category 5）或六類線纜（Category 6）進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，并被稱作1000BASE-T。在 802.3ab 標(biāo)準(zhǔn)中，吉比特以太網(wǎng)成為一種可以利用現(xiàn)有的銅纜基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)行的技術(shù)。

1.2基本技術(shù)原理

1000BASE-T PHY 支持通過 4 對(duì)最低為 CAT5 的對(duì)稱電纜進(jìn)行全雙工基帶傳輸。1000Mb/s 通過四個(gè)線對(duì)， 每對(duì) 250Mb/s 的傳輸速率實(shí)現(xiàn)。使用混合器及消除器允許在同一時(shí)間在同一線對(duì)上傳送和接收符號(hào)，可實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。每個(gè)線對(duì)使用 125 MBd 調(diào)制率的基帶信號(hào)。傳送的符號(hào)從四維五級(jí)符號(hào)結(jié)構(gòu) (4DPAM5) 中選擇。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)分為MAC、PHY個(gè)MDI三部分，這個(gè)在前面都講過。

接下來我們看一下PHY部分的分層，下面這張圖截取自IEEE 802.3ab

GMII：千兆網(wǎng)的媒體獨(dú)立接口，用來和MAC進(jìn)行通信。

PCS：物理編碼子層，用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼(在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí))和解碼(當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí))。在千兆網(wǎng)中用的8b/10b編碼。

PMA：物理媒體連接子層，向PCS子層提供與媒體無關(guān)的方法，以支持使用面向串行比特的物理媒體。執(zhí)行并串/串并轉(zhuǎn)換。

PMD：物理媒體相關(guān)子層，定義物理層信令和媒體相關(guān)接口(MDI)，以及所支持的媒體類型。在千兆網(wǎng)中最終產(chǎn)生的就是四個(gè)差分對(duì)類型的信號(hào)。

MDI：媒體相關(guān)接口，用來將PMD子層和物理層的線纜連接。在千兆網(wǎng)中就是四對(duì)差分對(duì)。

2.2?MAC 層接口

從 MAC 層接口到千兆 PHY， IEEE 802.3ab 標(biāo)準(zhǔn)中有三種不同的選擇：標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)獨(dú)立接口 (MII) GMII、SGMII 或 RGMII。

2.2.1 GMII

GMII 的用途是使各種物理介質(zhì)對(duì) MAC 層透明。GMII 可接受GMII 或MII 數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)信號(hào)，并分別將其路由到1000BASE-T、100BASE-TX 或10BASE-T 模塊。

GMII 提供全雙工操作并且是8 位寬傳輸及接收數(shù)據(jù)通道接口，采用125 MHz 時(shí)鐘，設(shè)定速度可達(dá)1000Mb/s。GMII 向后兼容MII 規(guī)范，從而支持 10 (2.5MHz) 及100 (25MHz) Mb/s 速率。數(shù)據(jù)和定界符與時(shí)鐘基準(zhǔn)同步。它同時(shí)提供簡單的管理接口。具體信號(hào)定義如下：

發(fā)送器：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M信號(hào)時(shí)鐘

◇ TXD[7..0]——被發(fā)送數(shù)據(jù)

◇ TXEN——發(fā)送器使能信號(hào)

◇ TXER——發(fā)送器錯(cuò)誤（用于破壞一個(gè)數(shù)據(jù)包）

注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號(hào)，TXD、TXEN、TXER信號(hào)與此時(shí)鐘信號(hào)同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK時(shí)鐘信號(hào)，其它信號(hào)與此信號(hào)同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡(luò)）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡(luò)）。

接收器：

◇ RXCLK——接收時(shí)鐘信號(hào)（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無關(guān)聯(lián)）

◇ RXD[7..0]——接收數(shù)據(jù)

◇ RXDV——接收數(shù)據(jù)有效指示

◇ RXER——接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)指示

◇ COL——沖突檢測（僅用于半雙工狀態(tài)）

GMII 使用總共最多 25 引腳。

2.2.2 RGMII

RGMII 旨在減少連接在MAC 與PHY 的引腳數(shù)（相對(duì)于GMII 的24 引腳，RGMII 只需12 引腳）。通過優(yōu)化， RGMII 由 12 個(gè)信號(hào)組成：

6 個(gè)接收信號(hào)：RX_CTL、RX_CLK 和RX_D[3:0]

6 個(gè)發(fā)送信號(hào)：TX_CTL、TX_CLK 和TX_D[3:0]

相比于GMII，RGMII信號(hào)線減少了，時(shí)鐘信號(hào)依然為125M，但是要保證1000M數(shù)據(jù)傳輸。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，數(shù)據(jù)通道及所有相關(guān)控制信號(hào)都被減少并多路復(fù)用。時(shí)鐘的上升沿與下降沿均使用。在千兆運(yùn)行過程中，GTX_CLK 和RX_CLK 時(shí)鐘為125MHz， 對(duì)于10 和100Mb/s 運(yùn)行，時(shí)鐘頻率分別為2.5MHz 和25MHz。

2.2.3 SGMII

SGMII即Serial GMII，串行GMII，收發(fā)各一對(duì)差分信號(hào)線，時(shí)鐘頻率625MHz，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿均采樣。因?yàn)?strong>SGMII使用了serdes技術(shù)，用到了8b/10b (SerDes) 編碼。所以SGMII接口的速率依然是625M*2*8b/10b=1000M。SGMII接口抗干擾能力比較強(qiáng)，可以通過背板進(jìn)行信號(hào)傳輸。

2.2.4 串行管理接口

串行管理接口SMI)由管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘MDC以及管理數(shù)據(jù)輸入/輸出(MDIO) 信號(hào)組成。它可以對(duì)PHY 的內(nèi)部寄存器空間的狀態(tài)信息及配置進(jìn)行訪問。當(dāng)一個(gè)地址被用于識(shí)別相應(yīng) PHY 受控端，基于串行通信協(xié)議，MDC 以及MDIO 信號(hào)可以在幾個(gè)PHY 之間共享。

2.3編碼技術(shù)

PHY中的PCS層是物理編碼子層，用來對(duì)MAC層通過GMII或者RGMII發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以便通過MDI傳輸，當(dāng)然也同樣承擔(dān)著解碼任務(wù)。編碼完成的任務(wù)是保證高速的數(shù)據(jù)能正常通過線纜進(jìn)行傳輸。

1000Base-T在PCS層使用4D-PAM5編碼，所謂的PAM5表示每個(gè)碼元有五個(gè)電平-2,-1,0,1,2，但是每個(gè)碼元只能表示4個(gè)符號(hào)，00，01，10，11，因?yàn)檫€有一個(gè)電平表示前向糾錯(cuò)碼FEC。所以一個(gè)碼元能傳輸2bit信息（4=2^2）。這樣做比我們平常的二電平編碼提高了帶寬利用率，并能把波特率和所需信號(hào)帶寬減為原來的一半（125Mbps）。但多電平編碼需要用多位A/D，D/A轉(zhuǎn)換，采用更高的傳輸信噪比和更好的接收均衡性能。

PCS層其實(shí)將8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4個(gè)碼元。數(shù)據(jù)在PMD層需要再做一個(gè)8b/10b編碼，然后將數(shù)據(jù)放到4個(gè)差分對(duì)上進(jìn)行傳輸，所以每個(gè)差分對(duì)上的碼元速率為1000M/8*4/4=125M。所以，盡管是千兆速率，但實(shí)際上對(duì)示波器的帶寬要求只需能高保真采集125MHz信號(hào)即可。

所以在差分信號(hào)對(duì)上我們測試到的眼圖應(yīng)該是下面這樣的。五個(gè)電平四只眼，周期是8ns。

2.4 MDI接口

1000BASE-T MDI接口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下

其信號(hào)號(hào)線定義如下：

通常我們使用的水晶頭引腳順序定義如下圖：

差分對(duì)要求阻抗為100歐姆，信號(hào)擺幅在不同速率下受下面表格參數(shù)約束（參考DP83867IR數(shù)據(jù)手冊(cè)）

在MDI接口中我們需要使用變壓器耦合，因?yàn)镮EEE 802.3 規(guī)定， 帶 MDI（非電源接口 (PI)） 的 PHY 應(yīng)該在端口設(shè)備電路之間提供電隔離，包括機(jī)架接地（如果存在） 以及全部 MDI 引線。電隔離應(yīng)當(dāng)承受至少以下一種電氣強(qiáng)度測試：

? 1500 VRMS， 在 50 至 60Hz 之間 60s

? 2250-V 直流 60s

? 十個(gè) 2400V 極性交替脈沖構(gòu)成的脈沖序列，應(yīng)用間隔不小于1s

為滿足此要求， 通常使用變壓器隔離。1000BASE-T 的典型變壓器配置可通過下圖的一個(gè)差分對(duì)來反映。

根據(jù) PHY 設(shè)備，每個(gè)MDI 差分信號(hào)對(duì)都可能都需要并聯(lián)端接電阻。端接阻抗通常為100Ω 。有些PHY器件（如 DP83867IR）含有集成端接電阻，因此不再需要外部端接電阻。下圖是DP83867IR的MDI接口的原理圖

說明：

1.上圖中TPD4E05U06DQA 為TVS二級(jí)管。

2.在 MDI 連接中使用的變壓器提供本地電路與網(wǎng)絡(luò)線纜的直流隔離。在隔離繞組的中間抽頭處有一個(gè)“BobSmith”端接， 通過一個(gè) 75Ω 和一個(gè) 1000pF 的電容器接地。端接電容的額定電壓應(yīng)當(dāng)至少為 2kV。BobSmith 端接降低了共模電流流過產(chǎn)生的噪聲。

3.需要考慮從 RJ45 到磁場及從磁場到 DP8867IR 的走線長度， 因?yàn)檫@些信號(hào)是差分對(duì)信號(hào)。這意味著信號(hào)要盡可能在滿足走線長度要求的情況下長度差異盡可能大。為確保數(shù)據(jù)完整性， 走線差異應(yīng)當(dāng)小于 10mil(0.254 mm)。

2.5 技術(shù)優(yōu)勢說明

千兆以太網(wǎng)使用4對(duì)差分對(duì)進(jìn)行信號(hào)傳輸，在信號(hào)傳輸和設(shè)計(jì)復(fù)雜度之間取得很好的平衡。其實(shí)因?yàn)楹竺娴娜f兆網(wǎng)方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和思路。

三、技術(shù)擴(kuò)展

1.千兆網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.千兆網(wǎng)的EMC設(shè)計(jì)和測試

千兆的EMC設(shè)計(jì)是比較有挑戰(zhàn)的，參考資料里面的《符合 EMI/EMC 標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)溫度級(jí)雙端口千兆位以太網(wǎng)參考設(shè)計(jì)》是一篇非常有實(shí)踐意義的文章。這篇文章給出了完整的參考設(shè)計(jì)，還對(duì)EMC測試進(jìn)行了詳細(xì)的表述，對(duì)于沒有做個(gè)深入EMC測試的同仁來說是非常好的學(xué)習(xí)資。可以從中學(xué)習(xí)EMC測試的方法。

參考資料

1.1. IEEE Std 802.3-2008, IEEE

ieee802.org/3/index.htm

2.DP83867IR, TI

ti.com.cn/product/cn/DP

3.以太網(wǎng)物理層信號(hào)測試與分析,eefocus,佚名

eefocus.com/communicati

4.符合 EMI/EMC 標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)溫度級(jí)雙端口千兆位以太網(wǎng)參考設(shè)計(jì) ，TI

ti.com.cn/cn/lit/ug/zhc

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擴(kuò)展：SERDES與SGMII

SERDES的概念：

SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的簡稱。它是一種主流的時(shí)分多路復(fù)用(TDM)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)的串行通信技術(shù)。即在發(fā)送端多路低速并行信號(hào)被轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，經(jīng)過傳輸媒體(光纜或銅線)，最后在接收端高速串行信號(hào)重新轉(zhuǎn)換成低速并行信號(hào)。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信技術(shù)充分利用傳輸媒體的信道容量，減少所需的傳輸信道和器件引腳數(shù)目，從而大大降低通信成本。????

這是一種通信技術(shù)的統(tǒng)稱。

SERializer/DESerializer

Translates an n-bit parallel bus into adifferential serial stream

Receives a differential serial stream andconverts it back to an n-bit parallel bus

SerDes technology simplifies transferringthe parallel data by eliminating the skew between the parallel data paths andreduces system cost by narrowing the data path.?

SGMII的概念：

如果說到SGMII則會(huì)想到MII、GMII、XGMII、QGMII等信號(hào)接口。

SGMII--Serial Gigabit Media IndependentInterface ? SGMII是PHY與MAC之間的接口，類似與GMII和RGMII，只不過GMII和RGMII都是并行的，而且需要隨路時(shí)鐘，PCB布線相對(duì)麻煩，而且不適應(yīng)背板應(yīng)用。而SGMII是串行的，不需要提供另外的時(shí)鐘，MAC和PHY都需要CDR去恢復(fù)時(shí)鐘。另外SGMII是有8B/10b編碼的，速率是1.25。所以，SGMII需要PHY來做8b/10b的解碼工作。

SGMII在物理上是兼容SERDES信號(hào)的，所以走的通道也是SERDESlane。

實(shí)例1：

在intel的LAN芯片中，一般情況都是MAC和PHY在一起的。所以通過eeprom可以配置LAN芯片輸出信號(hào)的種類?？梢越与娍赗J45和光口SFP。

如果我們需要直接從LAN芯片中接SFP接口，則需要配置成SerDes(1000Base-BX)mode；

如果接RJ45，則需要在flash中配置成copper PHY。

如果需要接另外一顆PHY，則需要在flash中配置成SGMII Mode，送如PHY中。

實(shí)例2：

在octeon的芯片中QLM可以配置成SGMII和1000BASE-x。這兩種模式走的通道均為SERDES lane。如果接電口RJ45，則需要配置成SGMII，通過PHY來完成解碼和negotiation。

如果接光口SFP，則需要配置成1000BASE-x，讓QLM切換成PHY來實(shí)現(xiàn)negotiation和解碼動(dòng)作。這樣可以不用接PHY。

10/100/1000：數(shù)字 100 用單位 MHz (Megahertz) 表示網(wǎng)線設(shè)計(jì)的頻率。即 100MHz。MHz 的值越大，網(wǎng)線所支持的速度就越快。如果你嘗試將這種類型的網(wǎng)線用于更高的頻率(和速度)中，那么它將不工作或者變得極為不可靠。100 MHz 以每秒 100Mbit 的速度傳輸，這在理論上指的就是12Mbps。然而，在實(shí)際中，可能還無法獲得超過 4Mbps。

BASE：BASE 是英文 baseband 的縮寫，指的就是基帶。表示沒有使用頻分復(fù)用或者其它頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，每一個(gè)信號(hào)在一個(gè)單一頻率上完全控制線纜。

數(shù)字T/F/C等：一般數(shù)組表示傳輸長度；T 代表承載信號(hào)的物理介質(zhì)是雙絞線纜（分為UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽雙絞線）和STP（Shielded Twicted Pair，屏蔽雙絞線）），在這里每一對(duì)傳送信號(hào)的雙絞線互相纏繞以 (FEXT 和 NEXT 之間) 減少電磁干擾和串?dāng)_；F 表示光纖

最后的字母或數(shù)字（4/X等）：在同一種傳送速率下有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)，它們之間以一個(gè)字母或數(shù)字跟隨 T/F/C 之后的方式來區(qū)隔（例如 TX）。它顯示了網(wǎng)線的結(jié)構(gòu)并指出包含的絞線對(duì)的數(shù)量。某些高速標(biāo)準(zhǔn)使用同軸電纜，則分配代號(hào)為 CX。

編輯：黃飛