Giải mã Giao diện Độc lập với Phương tiện (MII) trong Liên kết Ethernet

Trong tất cả các tiêu chuẩn định tuyến tốc độ cao, Ethernet đi kèm với một loạt các giao thức biến thể có thể làm cho nhà thiết kế hệ thống cảm thấy bối rối nếu họ không quen thuộc với Ethernet. Các chỉ số quan trọng về tính toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế kênh khá rõ ràng, nhưng các khía cạnh khác của những giao thức này dường như không cần thiết cho đến khi bạn thiết kế công tắc đầu tiên của mình.

Hầu hết các nhà thiết kế (và các hướng dẫn về bố trí/định tuyến Ethernet) tập trung vào giao diện độc lập với phương tiện truyền dẫn (MII) hoặc giao diện độc lập với phương tiện truyền dẫn giảm bớt (RMII) vì chúng được sử dụng cho định tuyến 100 Mbps giữa các lớp MAC và PHY trong một hệ thống. Điều này phù hợp với hầu hết các hệ thống chạy Ethernet 10/100 trên một số lượng cổng nhỏ, nhưng một khi bạn chuyển sang Ethernet gigabit và nhanh hơn, bạn sẽ bắt đầu thấy một nhóm khác của các từ viết tắt, đặc biệt là khi bạn bắt đầu xem xét các bộ thu phát PHY, công tắc, bộ chuyển đổi phương tiện, bộ điều khiển và các thành phần khác.

Các loại giao diện khác nhau được sử dụng trong các hệ thống Ethernet rất hữu ích nếu bạn đang cố gắng, ví dụ, thu nhỏ BOM của mình trong một hệ thống có số lượng cổng cao. Vậy bạn sẽ tiếp cận các phiên bản khác nhau của MII cho hệ thống của mình như thế nào? Hy vọng rằng, bản tóm tắt ngắn gọn về các giao thức khác nhau dưới đây có thể giúp bạn làm quen với thiết kế hệ thống cấp độ hệ thống cho các hệ thống mạng dựa trên Ethernet.

Các Biến Thể Giao Diện Độc Lập với Phương Tiện

Thông số kỹ thuật MII chuẩn là cơ sở cho các giao thức biến thể MII khác chạy ở tốc độ 100 Mbps và nhanh hơn. Bạn có thể tìm thấy một số hướng dẫn chung trong một bài viết khác của Altium và trong một trong những bài viết gần đây của tôi trên Tạp chí Tính Toàn vẹn Tín hiệu, nhưng tôi sẽ tóm tắt sơ lược một số thông tin cơ bản về MII và các thông số kỹ thuật biến thể của nó.

MII ban đầu được thiết kế để kết nối khối MAC của một IC với bộ thu phát PHY cho 100 Mbps (đồng hồ 25 MHz trong các đường dữ liệu Rx/Tx 4-bit). Thông số kỹ thuật MII được định nghĩa bởi Nhóm Làm việc Ethernet IEEE 802.3 (cụ thể, dưới tiêu chuẩn 802.3u) và dành cho kết nối với nhiều loại phương tiện khác nhau (ví dụ, đồng hoặc sợi quang). Mục tiêu trong thông số kỹ thuật này là cho phép một giao thức mạng đơn lẻ giao tiếp với nhiều loại phương tiện với một MAC và PHY bên ngoài duy nhất. Ý tưởng trung tâm này là nền tảng cho tất cả các biến thể MII khác.

Ngoài các thông số kỹ thuật mà tôi đã liệt kê ở đây, có một số đặc điểm chung cho các giao diện này:

• Tín hiệu chênh lệch: Tất cả các tín hiệu đều là tín hiệu chênh lệch để đảm bảo loại bỏ nhiễu chế độ chung.
• Đồng hồ: Các tiêu chuẩn MII trong Ethernet sử dụng đồng hồ nhúng với các mã hóa khác nhau.
• Skew: Trừ khi bạn đang sử dụng một trong những biến thể được tuần tự hóa, dữ liệu của bạn sẽ chạy song song và cần được khớp chiều dài trên một lớp mạng. Vì chúng ta đang xử lý các cặp vi sai, chúng cũng cần được khớp chiều dài tương tự.
• Trở kháng kiểm soát: Các đường này cần có trở kháng kiểm soát, nhưng hãy cẩn thận với các khuyến nghị khác nhau. Tiêu chuẩn IEEE cho định tuyến MII quy định 68 Ohm đơn lẻ/100 Ohm trở kháng vi sai, trong khi một số nhà sản xuất IC sẽ khuyến nghị 50 Ohms đơn lẻ + ~30 Ohms kết thúc chuỗi.

Đây là điểm mà những điểm tương đồng giữa các biến thể MII kết thúc cho việc thiết kế các liên kết Ethernet. Các biến thể khác nhau về số lượng tín hiệu, tổng tốc độ dữ liệu, tốc độ đồng hồ, chiều rộng bus, và kích thước nibble dữ liệu. Chúng cũng có thể hoạt động ở các mức logic khác nhau; hãy chú ý đến điều này khi chọn linh kiện để đảm bảo tính tương thích. Bộ biến thể hiện tại và các thông số kỹ thuật của chúng được hiển thị trong bảng dưới đây:
 

Ngay cả ở tốc độ 100 Mbps trong các thông số kỹ thuật này, Ethernet có thể khá linh hoạt ngoài bảng mạch miễn là việc định tuyến MII và định tuyến đầu ra PHY được thực hiện đúng cách trên bảng mạch. Các tốc độ đồng hồ ở đây khá thấp đối với các thành phần kỹ thuật số điển hình (trừ HSGMII), nhưng thời gian tăng có thể dưới 1 ns cho các giao thức tốc độ dữ liệu cao hơn. Chú ý đến điều này nếu bạn đang kiểm tra một nguyên mẫu; hãy chắc chắn bạn đã sử dụng một đầu dò tỷ lệ suy giảm cao (10x) và cung cấp đủ băng thông cho máy hiện sóng để kiểm tra hành vi tín hiệu.

Chọn Đúng Linh Kiện

Nếu bạn đang cố gắng thu nhỏ hệ thống của mình, hãy tận dụng lợi thế của việc tích hợp trong dòng sản phẩm của nhà sản xuất IC. Điều này giảm lượng định tuyến từ MAC đến PHY trên bảng mạch, giảm số lượng linh kiện và làm cho việc định tuyến trở nên dễ dàng hơn. Nếu bạn giảm số lượng linh kiện đủ thấp, bạn thậm chí có thể loại bỏ một vài lớp từ bảng mạch của mình. Tất cả những điều này sẽ giúp bạn giảm chi phí BOM và đơn giản hóa kiến trúc hệ thống tổng thể, ngay cả khi bạn đang làm việc với 10G hoặc với sợi quang.

Ví dụ, một số IC chuyển mạch với số lượng cổng cao bao gồm giao diện PHY tích hợp cho các biến thể MII gigabit. Đối với một bộ chuyển mạch có số lượng cổng cao, bạn có thể cần sử dụng IC thu phát PHY bên ngoài để hỗ trợ có thể là một nửa số cổng của bạn, nhưng điều đó có thể giảm định tuyến của bạn 50% hoặc hơn. Nếu bạn sau đó có thể sử dụng SGMII để định tuyến đến giao diện PHY bên ngoài, bạn đã giảm đáng kể số lượng tín hiệu so với việc chỉ sử dụng GMII để đạt được lưu lượng dữ liệu cao đến một số lượng lớn cổng. Đây là loại cách tiếp cận bạn sẽ thấy trong một số thiết kế tham khảo, đặc biệt là cho các bộ chuyển mạch L2 cần số lượng cổng cao.
 

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về gigabit Ethernet, hãy xem cuộc khảo sát sâu rộng của Mark Harris về chủ đề này. Anh ấy đã làm một công việc tuyệt vời khi xem xét kỹ lưỡng thiết kế hệ thống tổng thể (bao gồm cả đầu ra PHY và thiết kế và định tuyến từ tính), điều này sẽ giúp bất kỳ ai có cái nhìn tổng quan tốt về chủ đề GMII/SGMII và định tuyến Ethernet gigabit nhanh hơn.

Nếu bạn đang thiết kế sản phẩm IoT, thiết bị mạng, hoặc hệ thống nhúng và bạn cần định tuyến các kết nối giao diện độc lập với phương tiện truyền thông, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế và định tuyến PCB hoàn chỉnh trong Altium Designer® cho thiết kế tiếp theo của bạn. Trình chỉnh sửa Quy tắc Thiết kế được nâng cấp giúp dễ dàng mã hóa các yêu cầu đặc tả MII thành quy tắc thiết kế, và bạn sẽ có quyền truy cập vào một loạt các công cụ thiết kế khác.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn chia sẻ dự án của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để có mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.

Có một số IC chuyển mạch tích hợp lớp PHY đa cổng để làm cho việc quản lý loại thiết kế chuyển mạch Ethernet 49 cổng này trở nên dễ dàng hơn.