原创 MIIMDIO接口详解

   本文主要分析MII/RMII/SMII，以及GMII/RGMII/SGMII接口的信号定义，及相关知识，同时本文也对RJ-45接口进行了总结，分析了在10/100模式下和1000M模式下的设计方法。

    MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。

    提到MII，就有可能涉及到RS，PLS，STA等名词术语，下面讲一下他们之间对应的关系。所谓RS即Reconciliation sublayer，它的主要功能主要是提供一种MII和MAC/PLS之间的信号映射机制。

    RS与MII之间的关系如下图：

    MII接口的Management Interface可同时控制多个PHY，802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。所谓Management Interface，即MDC信号和MDIO信号。

前面已经讲过RS与PLS的关系，以及MII接口连接的对象。它们是通过MII接口进行连接的，示意图如下图。由图可知，MII的Management Interface是与STA（Station Management）相连的。

    接口支持10Mb/s以及100Mb/s，且在两种工作模式下所有的功能以及时序关系都是一致的，唯一不同的是时钟的频率问题。802.3要求PHY不一定一定要支持这两种速率，但一定要描述，通过Management Interface反馈给MAC。

    下面将详细介绍MII接口的信号定义，时序特性等。由于MII接口有MAC和PHY模式，因此，将会根据这两种不同的模式进行分析，同时还会对RMII/SMII进行介绍。

    MII接口可分为MAC模式和PHY模式，一般说来MAC和PHY对接，但是MAC和MAC也是可以对接的。

以前的10M的MAC层芯片和物理层芯片之间传送数据是通过一根数据线来进行的，其时钟是10M，在100M中，如果也用一根数据线来传送的话，时钟需要100M，这会带来一些问题，所以定义了MII接口，它是用4根数据线来传送数据的，这样在传送100M数据时，时钟就会由100M降低为25M，而在传送10M数据时，时钟会降低到2.5M，这样就实现了10M和100M的兼容。

    MII接口主要包括四个部分。一是从MAC层到物理层的发送数据接口，二是从物理层到MAC层的接收数据接口，三是从物理层到MAC层的状态指示信号，四是MAC层和物理层之间传送控制和状态信息的MDIO接口。

    MII接口的MAC模式定义：

    MII接口PHY模式定义：

    在MII接口中，TX通道参考时钟是TX_CLK，RX通道参考时钟是RX_CLK，802.3-2005定义了它们之间的关系。

    由图3可知，即The clock to output delay shall be a min of 0 ns and a max of 25 nsSpec只对TX通道上MAC这一侧的发送特性作了定义，而对TX通道PHY那一侧的接收特性并没有定义。IC Vendor可在TX通道那一侧的PHY的接收特性作适当调整，只要最终的时序满足TX通道上MAC这一侧的发送特性就可以。

    由图4可知，The input setup time shall be a minimum of 10 ns and the input hold time shall be a minimum of 10 nsSpec只对RX通道上MAC这一侧的接收特性作了定义，而对RX通道PHY那一侧的发送特性并没有定义。IC Vendor可在RX通道那一侧的PHY的发送特性作适当调整，只要最终的时序满足RX通道上MAC这一侧的接收特性就可以。

    <1>：TX_CLK (transmit clock)，TX_CLK (Transmit Clock)是一个连续的时钟信号（即系统启动，该信号就一直存在），它是TX_EN, TXD, and TX_ER(信号方向为从RS到PHY)的参考时钟，TX_CLK由PHY驱动TX_CLK的时钟频率是数据传输速率的25%，偏差+-100ppm。例如，100Mb/s模式下，TX_CLK时钟频率为25MHz，占空比在35%至65%之间。

    <2>：对于同样的RX_CLK，它与TX_CLK具有相同的要求，所不同的是它是RX_DV, RXD, and RX_ER(信号方向是从PHY到RS)的参考时钟。RX_CLK同样是由PHY驱动，PHY可能从接收到的数据中提取时钟RX_CLK，也有可能从一个名义上的参考时钟(e.g., the TX_CLK reference)来驱动RX_CLK

    <3>：TXD (transmit data)，TXD由RS驱动，同步于TX_CLK，在TX_CLK的时钟周期内，并且TX_EN有效，TXD上的数据被PHY接收，否则TXD的数据对PHY没有任何影响。

     <4>：TX_ER (transmit coding error)，TX_ER同步于TX_CLK，在数据传输过程中，如果TX_ER有效超过一个时钟周期，并且此时TX_ENTX_ER有效并不影响工作在10Mb/s的PHY或者TX_EN无效时的数据传输。在MII接口的连线中，如果TX_ER信号线没有用到，必须将它下拉接地。

    <5>：RX_DV (Receive Data Valid)，RXD_DV同步于RX_CLK，被PHY驱动，它的作用如同于发送通道中的TX_EN，不同的是在时序上稍有一点差别：为了让数据能够成功被RS接收，要求RXD_DV有效的时间必须覆盖整个FRAME的过程，即starting no later than the Start Frame Delimiter (SFD) and excluding any End-of-Frame delimiter，如下图7。

    <6>：RXD (receive data)，RXD由RS驱动，同步于RX_CLK，在RX_CLK的时钟周期内，并且RX_DV有效，RXD上的数据被RS接收，否则RXD的数据对RS没有任何影响。While RX_DV is de-asserted, the PHY may provide a False Carrier indication by asserting the RX_ER signal while driving the value <1110> onto RXD<3:0>。

    <7>：RX_ER (receive error)，RX_ER同步于RX_CLK，其在RX通道中的作用类似于TX_ER对于TX通道数据传输的影响。

    <8>：CRS (carrier sense)，CRS不需要同步于参考时钟，只要通道存在发送或者接收过程，CRS就需要有效。The behavior of the CRS signal is unspecified when the duplex mode bit 0.8 in the control register is set to a logic one(自动协商禁止，人工设为全双工模式), or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation，即半双工模式信号有效，全双工模式信号无效。

<9>：COL (collision detected)，COL不需要同步于参考时钟。The behavior of the COL signal is unspecified when the duplex mode bit 0.8 in the control register is set to a logic one（自动协商禁止，人工设为全双工模式）, or when the Auto-Negotiation process selects a full duplex mode of operation。即半双工模式信号有效，全双工模式信号无效。

MDIO接口包括两根信号线：MDC和MDIO，通过它MAC层芯片（或其它控制芯片）可以访问物理层芯片的寄存器（前面100M物理层芯片中介绍的寄存器组，但不仅限于100M物理层芯片，10M物理层芯片也可以拥有这些寄存器），并通过这些寄存器来对物理层芯片进行控制和管理。MDIO管理接口如下：

MDC：管理接口的时钟，它是一个非周期信号，信号的最小周期（实际是正电平时间和负电平时间之和）为400ns，最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大的正负电平时间无限制。它与TX_CLK和RX_CLK无任何关系。

MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。MDIO管理接口的数据帧结构如：

PRE：帧前缀域，为32个连续“1”比特，这帧前缀域不是必要的，某些物理层芯片的MDIO操作就没有这个域。

OP：帧操作码，比特“10”表示此帧为一读操作帧，比特“01”表示此帧为一写操作帧。

PHYAD：物理层芯片的地址，5个比特，每个芯片都把自己的地址与这5个比特进行比较，若匹配则响应后面的操作，若不匹配，则忽略掉后面的操作。

REGAD：用来选择物理层芯片的32个寄存器中的某个寄存器的地址。

TA：状态转换域，若为读操作，则第一比特时MDIO为高阻态，第二比特时由物理层芯片使MDIO置“0”。若为写操作，则MDIO仍由MAC层芯片控制，其连续输出“10”两个比特。

DATA：帧的寄存器的数据域，16比特，若为读操作，则为物理层送到MAC层的数据，若为写操作，则为MAC层送到物理层的数据。

IDLE：帧结束后的空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平，即MDIO引脚需要上拉电阻。

MDIO数据帧的时序关系如下：

    MII接口也有一些不足之处，主要是其接口信号线很多，发送和接收和指示接口有14根数据线(不包括MDIO接口的信号线，因为其被所有MII接口所共享)，当交换芯片的端口数据较多时，会造成芯片的管脚数目很多的问题，这给芯片的设计和单板的设计都带来了一定的问题。为了解决这些问题，人们设计了两种新的MII接口，它们是RMII接口(Reduced MII接口)和SMII接口(StreamMII接口)。

这两种接口都减少了MII接口的数据线，不过它们一般只用在以太网交换机的交换MAC芯片和多口物理层芯片中，而很少用于单口的MAC层芯片和物理层芯片中。RMII接 口和SMII接口都可以用于10M以太网和100M以太网，但不可能用于1000M以太网，因为此时时钟频率太高，不可能实现。

下面这张图是从DM368的datasheet上的：