千兆网络PHY芯片RTL8211E的实践应用

一、千兆以太网的系统搭建

1.硬件系统搭建

以太网MAC模块负责实现以太网MAC子层的功能，完成802.3ab的数据封装与解封。其同时负责适配硬件PHY的物理接口，组成物理层的通讯接口; 硬件系统的功能可以通过 Verilog HDL硬件描述语言在FPGA控制器内部来实现。当然也可以在FPGA控制器内，使用FPGA提供的MAC IP核来实现MAC协议功能，从而可以替代MAC接口协议芯片，这样可以大大简化系统的硬件电路设计。FPGA控制器通过GMII总线和PHY芯片进行数据通信，通过MDI/MDIO 管理接口，来配置并读取PHY芯片内部的各寄存器。

PHY是物理接口收发器,它实现物理层.IEEE-802.3标准定义了以太网PHY。PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据，然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它可以检测到网络上是否有数据在传送。PHY还提供了和对端设备连接的重要功能并通过LED灯显示出自己目前的连接的状态和工作状态让我们知道。

隔离变压器：把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号,隔断了信号中的直流分量,还可以在不同0V电平的设备中传送数据。

RJ45是布线系统中信息插座(即通信引出端)连接器的一种，上端连接PHY层物理层芯片，下端连接网线。有些厂家会将网络变压器融合至RJ45接头中，在接口选型中要注意，如果厂家不自带隔离变压器，需在设计中考虑相关功能及器件。连接器由插头(接头、水晶头)和插座(模块)组成，插头有8个凹槽和8个触点，是标准8位模块化接口的俗称。为支持千兆以太网，制作直通线时一般采用T568B标准，即需要8个数据接口均需连接。

2.通信协议

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层。从tcp/ip五层协议的角度来阐述可分为以下几层：

1)物理层：计算机之间完成组网，即光缆、电缆、双绞线、网线、无线电波等。

2)数据链路层：将单纯的电信号0、1进行整合，形成统一标准，即“以太网协议ethernet”。包括定义数据帧、MAC地址等。

3)网络层：局域网内进行通信。包括IP协议(配置IP地址、设置子网掩码、解析IP数据包)和ARP协议(获取主机MAC地址)等。

4)传输层：tcp协议、udp协议等。

5)应用层：www、FTP、HTTP、email等。

在基于FPGA的千兆以太网传输中，需将数据通过FPGA进行数据协议的打包和MAC协议处理，通过RGMII总线协议传输将数据传送至PHY芯片，PHY芯片将数据进行处理后发送至RJ45接口进行数据发送。其中，PHY到FPGA的传输接口一般包括有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等， PHY到网络变压器之前传输接口一般为MDI。

按照OSI模型，基于开发板至上位机之间的通信需使用到的模型层有物理层(RJ45网接口)、数据链路层(PHY芯片和MAC协议)、网络层(在FPGA中处理的MAC协议)、传输层(在FPGA中处理的数据协议打包)。

涉及到的传输协议有：以太网MAC协议与GMII协议。

以太网MAC协议主要负责控制与连接物理层的物理介质。MAC协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层。该协议由硬件语言在FPGA控制器内部来实现。(数据分析)

GMII协议((Gigabit Media Independant Interface)千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。为FPGA(MAC控制器)与PHY芯片之间的数据传输协议。本项目中，结合芯片选型，可选取RGMII协议(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。信号定义如下：(数据传输)

信号名称 描述 方向

TXC 发送时钟 MAC→PHY

TX_CTL 发送数据控制 MAC → PHY

TXD[3:0] 发送数据4bit MAC → PHY

RXC 接收时钟 PHY → MAC

RX_CTL 接收数据控制 PHY → MAC

RXD[3:0] 接收数据4bit PHY → MAC

MDIO 管理数据 双向

MDC 管理数据时钟 MAC → PHY

二、芯片选型

1.千兆以太网PHY芯片选型

以太网芯片市场规模庞大，而且比较稳固，但该市场每隔几年就会出现一次重大技术转变。该产业目前处于从快速以太网(FE)向千兆以太网(GbE)转变过程的末期。其中大多数设计采用的是博通(Broadcom)、英特尔、Marvell和瑞昱(Realtek)的单芯片(MAC+PHY)控制器芯片。

Marvell(美满)，美国品牌。常见的10/100/1000M自适应网卡芯片有Marvell的88E8001/88E8053/88E806*系列。属于芯片第一梯队。芯片质量最好，种类最齐全，产品成熟，达到工业级标准，但因目前国际关系，供货不稳定。

Broadcom，美国品牌。包括FE PHY，千兆PHY，2.5G/5GBASE-T PHY，10GBASE-T PHY，汽车PHY等。常见的10/100/1000M自适应网卡芯片有BCM5721/5751系列芯片。芯片质量好，产品成熟，但因目前国际关系，供货不稳定。

Realtek台湾瑞昱，是典型的台产网络PHY芯片厂家。用户可根据自己的需求自由选取10M/100M/1000Mbps三种不同通信速度的芯片。其产品支持单口多口，单口包括RTL8211系和RTL8251系，双口为RTL8212系，四口为RTL8214系,八口则为RTL8208系。性价比也相对较高。市场份额最大，芯片质量虽不如美满，但质量相对稳定。因使用范围广，参考资料较多。相比于其他品牌，供货相对稳定。

ATHEROS(高通)，美国品牌，全球最大的无线半导体供应商。近几年研发生产PHY芯片系列，常见的10/100/1000M自适应网卡芯片有AR8031与AR8035系列。

其他品牌包括：IC PLUS,台湾九阳电子推出的IP101系列芯片有10M/100 Mbps两种可选。SMSC，被美国Microchip公司收购, 在通信速度上有也有10M/ 100M/1000Mbps三种不同的选择。目前在网络PHY芯片主打型号为LAN87系列。

国产芯片中，生产PHY芯片的厂商有苏州裕泰车通，但产品只有10/100M,并不支持千兆以太网。

本次设计中，选取Realtek公司的RTL8211E单口芯片，主要考虑因素有：满足千兆以太网需求、产品稳定、技术文档成熟、参考资料相对较多、货源稳定、性价比高。可替代的产品有高通的AR8035、美满的88E1111等。

引脚功能在下一节中有详细介绍。具体引脚和封装设计如下图所示：

2.RJ45接口选型

为减少外部分立器件的数量，有助于布局布线，改善系统的EMC/EMI性能，尽量选择连接器自带隔离变压器以及终端电阻的RJ45接口。在接口期间的厂商中，国产接口即可满足设计需求。本次设计中，RJ45网络接口采用中山市汉仁公司(HanRun)的 HR91130A，连接器自带隔离变压器以及终端电阻。该接口的引脚特性及外围电路设计在下一节中有介绍。可替代器件有安费诺amphenol公司的MRJ548101、泰科电子TE connectivity的2301995-1等。下图为该接口的封装设计。

三、PHY芯片的外围电路设计

RTL8211E应用主要包括电源部分设计、MDI接口设计、RGMII接口设计以及接口管理设计等四部分组成。

1.RTL8211E电源部分设计

RTL8211E的电源主要由3.3V及1.05V两个电源组成，接入外部电源为3.3V，并通过自身的switching regulator形成1.05V电源或者从外部电源引入。这两组电源主要为芯片运行以及GMII、MDI等IO接口驱动提供电源。如下则为RTL8211E、RTL8211EG的电源引脚说明。

RTL8211E的3.3V电源由外部电源VDD33引入，并通过去耦电容C3的过滤，形成芯片的数字3.3V电源DVDD33及模拟3.3V电源AVDD33。如图，其中C3对电源质量影响比较大。

对于接口管理应用1.05V的IO驱动电源，则是通过芯片自身的switching regulator转换或通过一个外接LDO进行转换，如果采用自身的regulator转换，则是3.3V模拟电源通过去耦电容接入芯片，另外通过外接0电阻与去耦电容形成模拟或数字1.05V电源。switching regulator只能给芯片自身的AVDD10和DVDD10供电，不能给其它外部电路供电。

2.RTL2811E至MDI接口设计

MDI( Medium Dependent Interface )介质相关接口与互联网连接一般通过信号传输端(TD+&TD-)和信号接收端(RD+ &RD-)，然后再通过网络滤波器以及RJ-45与终端网络相连。

MDI连接属于高速信号连接，对MDI线路设计时时需特别注意，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M网络变压器，以及到RJ-45接口的路径需要尽可能短，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M网络变压器的距离不能超过12cm，而且两对接受或传输差分信号线需尽可能的接近，可使噪声影响互相抵消。一般两者之前距离等于一线宽，例如，信号线宽8mil，则D1的宽度为8mil。两组信号线之间的跟离D2一般推荐为30mil。

3. RTL8211E之RGMII接口设计

MII是英文Medium Independent Interface的缩写，翻译成中文是“介质独立接口”，该接口一般应用于MAC层和PHY层之间的以太网数据传输，也可叫数据接口，MII即Reduced MII、是MII的简化。与MII接口相比，GMII的数据宽度由4位变为8位，GMII接口中的控制信号如TX_ER、TX_EN、RX_ER、RX_DV、CRS和COL的作用同MII接口中的一样，发送参考时钟GTX_CLK和接收参考时钟RX_CLK的频率均为125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。

RGMII连接属于高速信号连接，对RGMII线路设计时时需特别注意，RTL8211E/RTL8211EG到MAC之间的不能超过2.5inch。RGMII时钟信号与数据信号之间需要留20mils的间距，GMII 接收与发送布线长度之差还要超过100mils。RGMII的布线都有一块没破坏的完整地平面。

根据RGMII协议，TXC与RXC分别为数据传输中发送与接收的频率，在千兆以太网中，分别为125MHz。接收数据的端口为RX[0…3]，控制使能为TX_CTL;发送数据的端口为TX[0…3]，控制使能为RX_CTL。

为了EMI考虑，需要在PHY芯片RXC端放置一个RC滤波，并在MAC芯片TXC端放置一个RC滤波。

根据芯片手册，MDC/MDIO管理接口用于控制芯片的工作模式，由于其采用开漏输出，需要通过上拉电阻维持其工作状态。

4. RJ45接口的外围电路设计

千兆PHY通过网络变压器连接到RJ45接口，一共有4对差分线MDI[0…3]+/-。一般的接法是：

MDI[0]+ : RJ45[1]

MDI[0]- : RJ45[2]

MDI[1]+ : RJ45[3]

MDI[1]- : RJ45[6]

MDI[2]+ : RJ45[4]

MDI[2]- : RJ45[5]

MDI[3]+ : RJ45[7]

MDI[3]- : RJ45[8]

RJ45[1…8]连接器的线序与水晶头的压接顺序一致。

四、电路板设计

PCB板层设计可根据FPGA资源利用的情况及BGA芯片的扇出情况进行设定，可使用常规的六层电路板设计布线，即SIG-GND-SIG-PWR-GND-SIG。信号层与接地层相邻，电源层与接地层配对，这样具有较好的信号完整性。建议对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，阻抗控制在100欧姆±10%。

布线规则如下：

以太网接口速率较高，会产生较大的干扰，会在铜皮产生感应电流，在RJ45接口处需将除差分引脚外的信号全部挖空，挖空区避免走线。

机壳地走线加粗，一般为1mm，机壳地与板内板的边缘间距要大于或等于1mm。

3.电源地走线加粗。

等长要求，TX+与TX-信号做等长，RX+与RX-做等长，尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。长度差通常控制在5mil以内。

TX与RX应分开不同层走线，如果同层，间距应拉开4W(4倍线宽)。

6.PHY芯片发热量较大，可适当考虑增加散热孔或背面开窗。

根据芯片手册，布线时还应注意以下事项：

1.输入3.3V电压与芯片VDDREG引脚连接时，线宽需超过40mils。

2.去耦电容需放置在距离VDDREG引脚200mils(0.5cm)范围内，以防止输入电压过冲。

3.输出电压REGOUT的线宽必须大于60mils。

3.输出电压REGOUT的电感必须放置在引脚200mils(0.5cm)范围内;电容需放置在距离电感200mils(0.5cm)范围内。

为了保证开关稳压器的稳定性，Cout1与Cout2必须为陶瓷电容器(X5R)，Cin1和Cin2需为陶瓷电容器。

5.电感和Cin1需要和芯片在同一层布线;VDDREG和REGOUT之间的连线不能使用过孔。

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