Dekodierung der Media Independent Interface (MII) in Ethernet-Verbindungen

Von allen Hochgeschwindigkeits-Routing-Standards kommt Ethernet mit einer Alphabet-Suppe von Variantenprotokollen, die den Systemdesigner, der möglicherweise nicht mit Ethernet vertraut ist, verwirren können. Die wichtigen Signalintegritätsmetriken im Kanaldesign sind ziemlich klar, aber andere Aspekte dieser Protokolle scheinen erst notwendig zu sein, wenn Sie Ihren ersten Switch entwerfen.

Die meisten Designer (und Anleitungen zum Ethernet-Layout/Routing) konzentrieren sich auf die Media Independent Interface (MII) oder Reduced Media Independent Interface (RMII), da sie für das 100-Mbps-Routing zwischen den MAC- und PHY-Schichten in einem System verwendet werden. Das ist für die meisten Systeme, die 10/100 Ethernet auf einer kleinen Anzahl von Ports betreiben, in Ordnung, aber sobald Sie zu Gigabit und schnellerem Ethernet übergehen, werden Sie beginnen, eine andere Gruppe von Abkürzungen zu sehen, besonders wenn Sie anfangen, sich PHY-Transceiver, Switches, Medienkonverter, Controller und andere Komponenten anzusehen.

Die verschiedenen Arten von Schnittstellen, die in Ethernet-Systemen verwendet werden, sind sehr nützlich, wenn Sie zum Beispiel Ihre BOM in einem System mit hoher Portanzahl miniaturisieren möchten. Wie gehen Sie also die verschiedenen Versionen von MII für Ihr System an? Hoffentlich kann die kurze Zusammenfassung der verschiedenen Protokolle unten Ihnen helfen, sich mit dem systemübergreifenden Design für Netzwerksysteme vertraut zu machen, die auf Ethernet angewiesen sind.

Varianten der medienunabhängigen Schnittstelle

Die Standard-MII-Spezifikation ist die Grundlage für andere MII-Variantenprotokolle, die mit 100 Mbps und schneller arbeiten. Einige allgemeine Richtlinien finden Sie in einem anderen Artikel von Altium und in einem meiner kürzlich erschienenen Artikel im Signal Integrity Journal, aber ich werde kurz einige grundlegende Informationen über MII und seine Variantenspezifikationen zusammenfassen.

MII wurde ursprünglich entworfen, um den MAC-Block eines ICs mit einem PHY-Transceiver für 100 Mbps (25 MHz Takt in 4-Bit Rx/Tx-Datenpfaden) zu verbinden. Die MII-Spezifikation wird von der IEEE 802.3 Ethernet-Arbeitsgruppe definiert (speziell unter dem Standard 802.3u) und ist für die Verbindung mit einer Reihe verschiedener Medien (z.B. Kupfer oder Glasfaser) vorgesehen. Das Ziel dieser Spezifikation ist es, ein einziges Netzwerkprotokoll zu ermöglichen, das mit einer Vielzahl von Medien über einen einzigen MAC und externen PHY kommunizieren kann. Diese zentrale Idee ist die Grundlage für alle anderen MII-Varianten.

Zusätzlich zu den hier aufgeführten Spezifikationen gibt es einige gemeinsame Eigenschaften dieser Schnittstellen:

• Differentielle Signalübertragung: Alle Signale sind differentiell, um die Ablehnung von Gleichtaktstörungen zu gewährleisten.
• Taktung: MII-Standards in Ethernet verwenden einen eingebetteten Takt mit verschiedenen Kodierungen.
• Schräglauf: Sofern Sie nicht eine der seriellen Varianten verwenden, werden Ihre Daten parallel übertragen und sollten über eine Netzklassenlänge abgeglichen sein. Da wir es mit differentiellen Paaren zu tun haben, sollten diese ebenfalls längenabgeglichen sein.
• Kontrollierte Impedanz: Diese Leitungen müssen eine kontrollierte Impedanz aufweisen, aber achten Sie auf unterschiedliche Empfehlungen. Der IEEE-Standard für MII-Routing spezifiziert 68 Ohm Single-Ended/100 Ohm differentielle Impedanz, während einige IC-Hersteller 50 Ohm Single-Ended + ~30 Ohm Serienabschluss empfehlen.

Dies ist etwa der Punkt, an dem die Ähnlichkeiten zwischen den MII-Varianten für das Design von Ethernet-Verbindungen enden. Die Varianten unterscheiden sich in Signalanzahl, Gesamtdatenrate, Taktrate, Busbreite und Daten-Nibble-Größe. Sie können auch auf unterschiedlichen Logikpegeln laufen; achten Sie darauf, wenn Sie Komponenten auswählen, um die Kompatibilität zu gewährleisten. Die aktuellen Varianten und ihre Spezifikationen sind in der untenstehenden Tabelle dargestellt:
 

Auch bei 100 Mbps in diesen Spezifikationen kann Ethernet außerhalb der Platine ziemlich tolerant sein, solange das MII-Routing und das PHY-Ausgangs-Routing auf der Platine ordnungsgemäß durchgeführt werden. Die hier angegebenen Taktraten sind für typische digitale Komponenten ziemlich niedrig (außer HSGMII), aber die Anstiegszeit kann für die Protokolle mit höherer Datenrate gut unter 1 ns liegen. Achten Sie darauf, wenn Sie einen Prototyp testen; stellen Sie sicher, dass Sie eine Sonde mit hohem Dämpfungsverhältnis (10x) verwendet haben und geben Sie Ihrem Oszilloskop genügend Bandbreite, um das Signalverhalten zu untersuchen.

Wählen Sie die richtigen Komponenten

Wenn Sie versuchen, Ihr System zu miniaturisieren, nutzen Sie die Integration in Produktlinien von IC-Herstellern. Dies reduziert die Menge an MAC-zu-PHY-Routing auf der Platine, verringert die Anzahl der Komponenten und erleichtert das Routing. Wenn Sie die Anzahl der Komponenten genügend reduzieren, könnten Sie sogar ein paar Schichten von Ihrer Platine entfernen. All dies wird Ihnen helfen, zu niedrigeren BOM-Kosten und einer einfacheren Gesamtsystemarchitektur zu gelangen, selbst wenn Sie mit 10G oder mit Glasfaser arbeiten.

Beispielsweise beinhalten einige Switch-ICs mit hoher Portanzahl eine integrierte PHY-Schnittstelle für Gigabit-MII-Varianten. Für einen Switch mit hoher Portanzahl müssen Sie möglicherweise einen externen PHY-Transceiver-IC verwenden, um vielleicht die Hälfte Ihrer Ports zu unterstützen, aber das kann Ihr Routing um 50% oder mehr reduzieren. Wenn Sie dann SGMII verwenden können, um zu einer externen PHY-Schnittstelle zu routen, haben Sie die Signalanzahl im Vergleich zur einfachen Verwendung von GMII, um einen hohen Datendurchsatz zu einer großen Anzahl von Ports zu erreichen, deutlich reduziert. Dies ist die Art von Ansatz, den Sie in einigen Referenzdesigns sehen werden, insbesondere für L2-Switches, die eine hohe Portanzahl benötigen.

Wenn Sie mehr über Gigabit Ethernet erfahren möchten, werfen Sie einen Blick auf Mark Harris’ ultra-tiefgehenden Einblick in das Thema. Er macht einen großartigen Job, indem er sich mehr mit dem Gesamtsystemdesign befasst (einschließlich des PHY-Ausgangs und des Designs und Routings von Magnetiken), was jedem eine gute Einführung in das Thema GMII/SGMII und schnelleres Gigabit Ethernet-Layout und -Routing geben sollte.

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