Декодирование интерфейса, не зависящего от среды передачи (MII), в Ethernet-соединениях

Из всех стандартов высокоскоростной маршрутизации Ethernet обладает целым набором вариантов протоколов, которые могут сбить с толку системного дизайнера, не знакомого с Ethernet. Важные метрики целостности сигнала в дизайне канала довольно очевидны, но другие аспекты этих протоколов кажутся не такими уж необходимыми, пока вы не спроектируете свой первый коммутатор.

Большинство дизайнеров (и руководства по компоновке/маршрутизации Ethernet) сосредотачиваются на интерфейсе, независимом от среды (MII) или упрощенном интерфейсе, независимом от среды (RMII), поскольку они используются для маршрутизации со скоростью 100 Мбит/с между слоями MAC и PHY в системе. Это подходит для большинства систем, работающих на 10/100 Ethernet с небольшим количеством портов, но как только вы перейдете к гигабитному и более быстрому Ethernet, вы начнете встречать другую группу аббревиатур, особенно когда начнете рассматривать трансиверы PHY, коммутаторы, медиаконвертеры, контроллеры и другие компоненты.

Различные типы интерфейсов, используемые в системах Ethernet, могут быть очень полезны, если вы пытаетесь, например, миниатюризировать ваш BOM в системе с большим количеством портов. Так как же подходить к различным версиям MII для вашей системы? Надеемся, что краткое изложение различных протоколов ниже поможет вам ознакомиться с дизайном системного уровня для сетевых систем, основанных на Ethernet.

Варианты интерфейса, не зависящего от среды передачи

Стандартная спецификация MII является основой для других протоколов-вариантов MII, работающих на скоростях 100 Мбит/с и выше. Вы можете найти некоторые общие рекомендации в другой статье Altium и в одной из моих недавних статей в журнале Signal Integrity Journal, но я кратко изложу некоторую базовую информацию о MII и его вариантах спецификаций.

MII изначально был разработан для соединения блока MAC интегральной схемы с трансивером PHY для передачи данных на скорости 100 Мбит/с (тактовая частота 25 МГц в 4-битных путях приема/передачи данных). Спецификация MII определена рабочей группой IEEE 802.3 Ethernet (в частности, в стандарте 802.3u) и предназначена для соединения с различными средами передачи (например, медью или волокном). Цель этой спецификации - позволить одному сетевому протоколу взаимодействовать с разнообразными средами с помощью единого MAC и внешнего PHY. Эта центральная идея лежит в основе всех других вариантов MII.

Помимо перечисленных мной спецификаций, у этих интерфейсов есть некоторые общие характеристики:

• Дифференциальная сигнализация: Все сигналы являются дифференциальными для обеспечения подавления помех общего режима.
• Тактирование: Стандарты MII в Ethernet используют встроенные часы с различными кодировками.
• Скос: Если вы не используете один из сериализованных вариантов, ваши данные передаются параллельно и должны быть согласованы по длине в классе сети. Поскольку мы имеем дело с дифференциальными парами, они также должны быть согласованы по длине.
• Контролируемый импеданс: Эти линии должны иметь контролируемый импеданс, но будьте внимательны к различным рекомендациям. Стандарт IEEE для маршрутизации MII указывает 68 Ом для одиночного конца/100 Ом дифференциального импеданса, в то время как некоторые производители ИС могут рекомендовать 50 Ом для одиночного конца + ~30 Ом последовательного завершения.

На этом заканчиваются сходства между вариантами MII для проектирования Ethernet-соединений. Варианты отличаются количеством сигналов, общей скоростью передачи данных, тактовой частотой, шириной шины и размером данных в ниблах. Они также могут работать на разных логических уровнях; убедитесь, что вы учитываете это при выборе компонентов, чтобы обеспечить совместимость. Текущий набор вариантов и их спецификации показаны в таблице ниже:
 

Даже при 100 Мбит/с в этих спецификациях, Ethernet может быть довольно терпимым вне платы, если маршрутизация MII и маршрутизация выхода PHY выполнены правильно на плате. Здесь частоты тактирования довольно низкие для типичных цифровых компонентов (за исключением HSGMII), но время нарастания может быть менее 1 нс для протоколов с более высокой скоростью передачи данных. Обратите на это внимание, если вы тестируете прототип; убедитесь, что вы использовали зонд с высоким коэффициентом ослабления (10x) и предоставили вашему осциллографу достаточную полосу пропускания для изучения поведения сигнала.

Выберите правильные компоненты

Если вы пытаетесь миниатюризировать свою систему, используйте преимущества интеграции в линейках продуктов производителей ИС. Это сокращает количество маршрутизации MAC-to-PHY на плате, уменьшает количество компонентов и упрощает маршрутизацию. Если у вас получится достаточно снизить количество компонентов, вы даже сможете убрать несколько слоев с вашей платы. Все это поможет вам снизить стоимость BOM и упростить общую архитектуру системы, даже если вы работаете на 10G или используете волокно.

Например, некоторые коммутационные ИС с большим количеством портов включают интегрированный PHY интерфейс для гигабитных вариантов MII. Для коммутатора с большим количеством портов вам может потребоваться использовать внешний PHY трансивер ИС для поддержки, возможно, половины ваших портов, но это может сократить вашу маршрутизацию на 50% или более. Если вы затем сможете использовать SGMII для маршрутизации к внешнему PHY интерфейсу, вы значительно сократите количество сигналов по сравнению с простым использованием GMII для обеспечения высокой пропускной способности данных к большому количеству портов. Это тип подхода, который вы увидите в некоторых референсных дизайнах, особенно для коммутаторов L2, которым нужно большое количество портов.
 

Если вы хотите узнать больше о гигабитном Ethernet, обратите внимание на глубокое исследование Марка Харриса по этой теме. Он отлично справляется с рассмотрением общего дизайна системы (включая выход PHY и дизайн магнитиков, а также трассировку), что должно дать хорошее введение в тему GMII/SGMII и более быстрой трассировки гигабитного Ethernet.

Если вы разрабатываете продукты IoT, сетевое оборудование или встроенные системы и вам нужно проложить соединения независимого от среды интерфейса, используйте полный набор инструментов для проектирования и размещения печатных плат в Altium Designer® для вашего следующего проекта. Улучшенный редактор правил проектирования позволяет легко закодировать требования спецификации MII в виде правил проектирования, и вы получите доступ к ряду других инструментов проектирования.

Когда вы закончите свой проект и захотите поделиться им, платформа Altium 365™ позволяет легко сотрудничать с другими дизайнерами. Мы только коснулись поверхности того, что можно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.