Dekodowanie interfejsu niezależnego od nośnika (MII) w łączach Ethernetowych

=

Wśród wszystkich standardów szybkiego routingu, Ethernet przychodzi z alfabetyczną zupą różnych protokołów, które mogą zmylić projektanta systemów, który może nie być zaznajomiony z Ethernetem. Ważne metryki integralności sygnału w projektowaniu kanału są dość jasne, ale inne aspekty tych protokołów nie wydają się być potrzebne, dopóki nie zaprojektujesz swojego pierwszego przełącznika.

Większość projektantów (i poradników dotyczących układania/routingu Ethernetu) skupia się na interfejsie niezależnym od medium (MII) lub zredukowanym interfejsie niezależnym od medium (RMII), ponieważ są one używane do routingu 100 Mbps między warstwami MAC i PHY w systemie. Jest to wystarczające dla większości systemów pracujących na Ethernet 10/100 na niewielkiej liczbie portów, ale gdy przejdziesz na Ethernet gigabitowy i szybszy, zaczniesz widzieć inną grupę akronimów, szczególnie gdy zaczniesz patrzeć na transceivery PHY, przełączniki, konwertery mediów, kontrolery i inne komponenty.

Różne typy interfejsów używane w systemach Ethernet są bardzo przydatne, jeśli próbujesz na przykład zminiaturyzować swój BOM w systemie z dużą liczbą portów. Więc jak podejść do różnych wersji MII dla twojego systemu? Mam nadzieję, że krótkie podsumowanie różnych protokołów poniżej może pomóc Ci zapoznać się z projektowaniem na poziomie systemowym dla systemów sieciowych opierających się na Ethernet.

Warianty interfejsu niezależnego od medium

Standardowa specyfikacja MII jest podstawą dla innych protokołów wariantów MII działających z prędkością 100 Mbps i szybszą. Można znaleźć kilka ogólnych wytycznych w innym artykule Altium oraz w jednym z moich ostatnich artykułów w Signal Integrity Journal, ale krótko podsumuję podstawowe informacje na temat MII i jego wariantów specyfikacji.

MII zostało pierwotnie zaprojektowane do łączenia bloku MAC układu scalonego z transceiverem PHY dla 100 Mbps (25 MHz zegar w 4-bitowych ścieżkach danych Rx/Tx). Specyfikacja MII jest zdefiniowana przez grupę roboczą IEEE 802.3 Ethernet (konkretnie, w ramach standardu 802.3u) i jest przeznaczona do połączenia z różnymi medium (np. miedź lub włókno). Celem tej specyfikacji jest umożliwienie pojedynczemu protokołowi sieciowemu interfejsu z różnorodnymi medium przy użyciu jednego MAC i zewnętrznego PHY. Ta centralna idea jest fundamentem dla wszystkich innych wariantów MII.

Oprócz specyfikacji, które wymieniłem tutaj, istnieją pewne wspólne cechy tych interfejsów:

• Sygnały różnicowe: Wszystkie sygnały są różnicowe, aby zapewnić odrzucenie szumów wspólnych.
• Zegarowanie: Standardy MII w Ethernet używają wbudowanego zegara z różnymi kodowaniami.
• Skew: O ile nie używasz jednej z wariantów szeregowych, twoje dane są przesyłane równolegle i powinny być dopasowane długościowo w całej klasie sieci. Ponieważ mamy do czynienia z parami różnicowymi, również one powinny być dopasowane długościowo.
• Impedancja kontrolowana: Te linie muszą mieć kontrolowaną impedancję, ale uważaj na różne zalecenia. Standard IEEE dla trasowania MII określa 68 Ohm dla pojedynczego zakończenia/100 Ohm dla impedancji różnicowej, podczas gdy niektórzy producenci układów scalonych mogą rekomendować 50 Ohm dla pojedynczego zakończenia + ~30 Ohm dla zakończenia szeregowego.

To mniej więcej koniec podobieństw między wariantami MII w projektowaniu łączy Ethernet. Warianty różnią się liczbą sygnałów, całkowitą przepustowością danych, częstotliwością zegara, szerokością magistrali i rozmiarem porcji danych. Mogą również pracować na różnych poziomach logiki; upewnij się, że obserwujesz to przy wyborze komponentów, aby zapewnić kompatybilność. Aktualny zestaw wariantów i ich specyfikacje są pokazane w poniższej tabeli:
 

Nawet przy 100 Mbps w tych specyfikacjach, Ethernet może być dość wyrozumiały poza płytą, pod warunkiem, że trasowanie MII i trasowanie wyjścia PHY są odpowiednio wykonane na płycie. Częstotliwości zegara są tutaj dość niskie dla typowych komponentów cyfrowych (z wyjątkiem HSGMII), ale czas narastania może być dobrze poniżej 1 ns dla protokołów o wyższej prędkości transmisji danych. Zwróć na to uwagę, jeśli testujesz prototyp; upewnij się, że użyłeś sondy o wysokim stosunku tłumienia (10x) i zapewnij swojemu oscyloskopowi wystarczającą przepustowość, aby zbadać zachowanie sygnału.

Wybierz odpowiednie komponenty

Jeśli próbujesz zminiaturyzować swój system, wykorzystaj integrację w liniach produktów producentów układów scalonych. Pozwala to zmniejszyć ilość trasowania MAC-do-PHY na płytce, redukuje liczbę komponentów i ułatwia trasowanie. Jeśli uda Ci się dostatecznie obniżyć liczbę komponentów, możesz nawet usunąć kilka warstw z Twojej płytki. Wszystko to pomoże Ci osiągnąć niższe koszty BOM i prostszą architekturę systemu, nawet jeśli pracujesz przy 10G lub z wykorzystaniem światłowodów.

Na przykład, niektóre układy scalone przełączników o wysokiej liczbie portów zawierają zintegrowany interfejs PHY dla wariantów gigabit MII. Dla przełącznika o wysokiej liczbie portów, możesz potrzebować użyć zewnętrznego układu scalonego transceivera PHY do obsługi może połowy Twoich portów, ale może to zmniejszyć Twoje trasowanie o 50% lub więcej. Jeśli następnie możesz użyć SGMII do trasowania do zewnętrznego interfejsu PHY, znacząco zmniejszyłeś liczbę sygnałów w porównaniu do prostego używania GMII, aby uzyskać wysoką przepustowość danych do dużej liczby portów. To jest typ podejścia, które zobaczysz w niektórych projektach referencyjnych, szczególnie dla przełączników L2, które wymagają wysokiej liczby portów.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat gigabitowego Ethernetu, zapoznaj się z ultra-dokładną analizą tematu autorstwa Marka Harrisa. Świetnie radzi sobie z przyjrzeniem się ogólnemu projektowi systemu (w tym wyjściu PHY i projektowaniu oraz trasowaniu magnetyków), co powinno dać każdemu dobrą wprowadzenie w temat GMII/SGMII oraz szybszego układania i trasowania Ethernetu gigabitowego.

Jeśli projektujesz produkty IoT, sprzęt sieciowy lub systemy wbudowane i musisz trasować połączenia interfejsu niezależnego od medium, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania i układania PCB w Altium Designer® dla swojego kolejnego projektu. Ulepszony edytor zasad projektowania ułatwia kodowanie wymagań specyfikacji MII jako zasad projektowania, a dostęp do szeregu innych narzędzi projektowych.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę z innymi projektantami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu dla bardziej szczegółowego opisu funkcji lub jednego z Webinarów na Żądanie.