Décodage de l'interface indépendante des médias (MII) dans les liaisons Ethernet

Parmi toutes les normes de routage à haute vitesse, l'Ethernet vient avec une soupe à l'alphabet de protocoles variant qui peut mystifier le concepteur de systèmes qui pourrait ne pas être familier avec l'Ethernet. Les métriques importantes de l'intégrité du signal dans la conception de canal sont plutôt claires, mais d'autres aspects de ces protocoles ne semblent pas nécessaires jusqu'à ce que vous conceviez votre premier commutateur.

La plupart des concepteurs (et les guides sur la disposition/routage Ethernet) se concentrent sur l'interface indépendante du média (MII) ou l'interface indépendante du média réduite (RMII) car elles sont utilisées pour le routage à 100 Mbps entre les couches MAC et PHY dans un système. Cela convient pour la plupart des systèmes fonctionnant avec Ethernet 10/100 sur un petit nombre de ports, mais une fois que vous passez à l'Ethernet gigabit et plus rapide, vous commencerez à voir un autre groupe d'acronymes, surtout une fois que vous commencez à regarder les transceivers PHY, les commutateurs, les convertisseurs de média, les contrôleurs et autres composants.

Les différents types d'interfaces utilisées dans les systèmes Ethernet sont très utiles si vous essayez, par exemple, de miniaturiser votre BOM dans un système avec un nombre élevé de ports. Alors, comment abordez-vous les différentes versions de MII pour votre système ? Espérons que le bref résumé des divers protocoles ci-dessous puisse vous aider à vous familiariser avec la conception au niveau du système pour les systèmes de réseautage qui dépendent de l'Ethernet.

Variants de l'interface indépendante des médias

La spécification MII standard est la base pour d'autres protocoles variant du MII fonctionnant à 100 Mbps et plus. Vous pouvez trouver quelques directives générales dans un autre article d'Altium et dans l'un de mes récents articles du Journal de l'Intégrité du Signal, mais je vais brièvement résumer quelques informations de base sur le MII et ses spécifications variantes.

Le MII a été initialement conçu pour connecter le bloc MAC d'un circuit intégré à un transceiver PHY pour 100 Mbps (horloge de 25 MHz dans des chemins de données Rx/Tx de 4 bits). La spécification MII est définie par le groupe de travail Ethernet IEEE 802.3 (plus précisément, sous la norme 802.3u) et est destinée à la connexion avec une gamme de différents médias (par exemple, cuivre ou fibre). L'objectif de cette spécification est de permettre à un seul protocole de réseau de s'interfacer avec une variété de médias avec un seul MAC et PHY externe. Cette idée centrale est le fondement de toutes les autres variantes du MII.

En plus des spécifications que j'ai listées ici, il y a quelques qualités communes à ces interfaces :

• Signalisation différentielle : Tous les signaux sont différentiels pour assurer le rejet du bruit en mode commun.
• Horlogerie : Les normes MII en Ethernet utilisent une horloge intégrée avec divers encodages.
• Déséquilibre : À moins que vous n'utilisiez l'une des variantes sérialisées, vos données fonctionnent en parallèle et doivent être appariées en longueur à travers une classe de réseau. Puisque nous traitons avec des paires différentielles, elles doivent également être appariées en longueur.
• Impédance contrôlée : Ces lignes doivent avoir une impédance contrôlée, mais attention aux différentes recommandations. La norme IEEE pour le routage MII spécifie une impédance de 68 Ohms en mode simple/100 Ohms d'impédance différentielle, tandis que certains fabricants de CI recommanderont 50 Ohms en mode simple + ~30 Ohms de terminaison en série.

C'est à peu près là que se terminent les similitudes entre les variantes MII pour la conception de liens Ethernet. Les variantes diffèrent en nombre de signaux, taux de données total, taux d'horloge, largeur de bus et taille de quartet de données. Elles peuvent également fonctionner à différents niveaux logiques ; assurez-vous de surveiller cela lors de la sélection des composants pour garantir la compatibilité. L'ensemble actuel de variantes et leurs spécifications sont présentés dans le tableau ci-dessous :
 

Même à 100 Mbps dans ces spécifications, l'Ethernet peut être assez tolérant en dehors de la carte tant que le routage MII et le routage de sortie PHY sont correctement effectués sur la carte. Les taux d'horloge ici sont assez bas pour les composants numériques typiques (sauf HSGMII), mais le temps de montée peut être bien inférieur à 1 ns pour les protocoles à débit de données plus élevé. Faites attention à cela si vous testez un prototype ; assurez-vous d'avoir utilisé une sonde à taux d'atténuation élevé (10x) et donnez à votre oscilloscope suffisamment de bande passante pour examiner le comportement du signal.

Choisissez les bons composants

Si vous essayez de miniaturiser votre système, tirez parti de l'intégration dans les gammes de produits des fabricants de CI. Cela réduit la quantité de routage MAC-vers-PHY sur la carte, diminue le nombre de composants et facilite le routage. Si vous parvenez à réduire suffisamment le nombre de composants, vous pourriez même être en mesure de supprimer quelques couches de votre carte. Tout cela vous aidera à obtenir un coût de nomenclature (BOM) plus bas et une architecture système globale plus simple, même si vous travaillez à 10G ou avec de la fibre.

Pour exemple, certains CI de commutation avec un nombre élevé de ports incluent une interface PHY intégrée pour les variantes de MII gigabit. Pour un commutateur à grand nombre de ports, vous devrez peut-être utiliser un CI de transceiver PHY externe pour prendre en charge peut-être la moitié de vos ports, mais cela peut réduire votre routage de 50 % ou plus. Si vous pouvez ensuite utiliser SGMII pour router vers une interface PHY externe, vous avez considérablement réduit le nombre de signaux par rapport à l'utilisation simple de GMII pour obtenir un débit de données élevé vers un grand nombre de ports. C'est le type d'approche que vous verrez dans certains designs de référence, particulièrement pour les commutateurs de niveau 2 qui nécessitent un grand nombre de ports.
 

Si vous souhaitez en savoir plus sur le gigabit Ethernet, jetez un œil à l'analyse ultra-détaillée de la question par Mark Harris. Il fait un excellent travail en examinant plus en détail la conception du système global (y compris la sortie PHY et la conception et le routage des magnétiques), ce qui devrait offrir à quiconque une bonne introduction au sujet de GMII/SGMII et au routage et à la disposition Ethernet gigabit plus rapide.

Si vous concevez des produits IoT, des équipements de réseau ou des systèmes embarqués et que vous avez besoin de router des connexions d'interface indépendante du média, utilisez l'ensemble complet d'outils de conception et de disposition de PCB dans Altium Designer® pour votre prochaine conception. L'éditeur de règles de conception amélioré rend facile l'encodage des exigences de spécification MII en tant que règles de conception, et vous aurez accès à une gamme d'autres outils de conception.

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