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以太网PHY芯片的MAC接口怎么选?MII、RMII、RGMII、SGMII与QSGMII对照

沃虎技术团队 ·发布 ·约 10 分钟阅读

以太网PHY芯片的MAC接口要按主控引出的接口来定:百兆单口用MII或RMII,千兆单口用RGMII或SGMII,2.5G走SerDes串行接口,多口千兆用QSGMII。接口对不上,PHY的线缆侧速率再合适也接不起来。

选PHY时,速率往往最先定下来:百兆、千兆还是2.5G。真正决定能不能直接对接的是另一头——SoC、MCU或交换芯片的MAC引出了哪种接口。各接口的速率档位在《以太网PHY芯片技术白皮书》的「接口差异与设计选择」里有概览,下面按选型的顺序逐个展开,最后对照沃虎供应的景略PHY料号。

#一、以太网PHY芯片的MAC接口是做什么的

以太网PHY芯片处在主控与网络变压器之间:线缆一侧是MDI,接网络变压器和RJ45;主控一侧就是MAC接口,用来和MAC交换收发数据。另外还有一组MDC/MDIO管理口,主控通过它读写PHY寄存器、查询链路状态。

所以一颗PHY要同时满足两边:线缆侧决定支持百兆、千兆还是2.5G,以及能不能接光口;MAC侧决定它能不能和主控直接对接。选型时两边都要逐项对上。

#二、MII和RMII:百兆以太网PHY芯片的两种接法

MII是IEEE 802.3第22条定义的百兆介质无关接口,收、发两个方向各有一组并行数据线,再加上各自的时钟和控制信号,用于10/100Mbps。

RMII是MII的精简版,同样用于10/100Mbps:数据线减少,收发共用一个参考时钟,引脚比MII少,适合引脚紧张的MCU。用RMII时要先定好参考时钟由谁提供——外部晶振、PHY输出给MAC,还是由主控提供,每颗芯片的支持情况在各自规格书里写明。

百兆PHY里,JL1101BR-NI只支持RMII,24-pin QFN封装、4mm×4mm,可以由外部时钟源输入,也可以给MAC提供参考时钟;JL1111B-NC、JL1111B-NI、JL1111B-NE同时支持MII和RMII两种模式,32-pin QFN封装,主控只引出其中一种时也能对接。

#三、RGMII:千兆单口的并行接口

千兆速率下的并行接口GMII数据线多、引脚多。RGMII在它的基础上减少了数据线,靠时钟上下沿都传数据(双沿采样)保持千兆速率,并向下兼容10/100Mbps,引脚明显少于GMII。

RGMII对时钟与数据之间的时序要求较严。时钟相对数据的延时可以在PHY内部、MAC内部或PCB走线上处理,设计时要对照PHY和主控两份规格书,确认由哪一侧处理、双方配置一致。

千兆单口PHY里,JL2101C-NC、JL2101C-NI、JL2101C-NE的MAC侧是RGMII,40-pin QFN封装;JL2201B-NI的MAC侧可选RGMII或SGMII,48-pin QFN封装,线缆侧除电口外还可以接光口。

#四、SGMII与2.5G:以太网PHY芯片转向串行差分

SGMII用串行差分线代替并行数据线,引脚比RGMII少。有的交换芯片和带SerDes的SoC只引出串行接口、不引出RGMII,这时PHY的MAC侧也要选串行接口。

到2.5G这一档,MAC侧同样走SerDes串行接口。JL4201-NC、JL4201-NI是2.5G单口PHY,线缆侧支持10BASE-Te、100BASE-TX、1000BASE-T和2.5GBASE-T,MAC侧SerDes支持SGMII、H-SGMII和2500BASE-X三种模式,48-pin QFN封装。主控的SerDes支持哪几种模式、PHY配置成哪一种,要拿两份规格书逐项对上。

串行接口的走线、外围元件和自协商设置,按主控和PHY两份规格书、参考设计来做。

#五、QSGMII:多口千兆PHY为什么不用RGMII

交换机或网关要出8个千兆电口时,如果每个口都用一组RGMII,并行线成倍增加,主控通常给不出这么多引脚,布线也难做。QSGMII把4个千兆口的数据复用到一组串行差分接口上,8个口只需要2组。

8口千兆PHY里,JL2308-PC、JL2308-PI、JL2388-PC、JL2388-PI的MAC侧支持2组QSGMII或1组O-USGMII,LQFP-128 E-PAD封装。这类器件的前提是主控或交换芯片本身带QSGMII或O-USGMII;如果主控只有RGMII,就只能用多颗单口PHY或者换主控。

#六、以太网PHY芯片MAC接口对照表

第一张表按接口整理速率档位和信号形式,第二张表列出各料号规格书写明的MAC侧接口和封装。

MAC接口适用速率档位信号形式对应料号
MII10/100Mbps并行,收发各一组数据线和时钟JL1111B-NC、JL1111B-NI、JL1111B-NE
RMII10/100Mbps并行,比MII引脚少,收发共用参考时钟JL1101BR-NI;JL1111B-NC、JL1111B-NI、JL1111B-NE
RGMII千兆,兼容10/100Mbps并行,双沿采样,比GMII引脚少JL2101C-NC、JL2101C-NI、JL2101C-NE;JL2201B-NI
SGMII / SerDes千兆;2.5G用SerDes模式串行差分,比RGMII引脚少JL2201B-NI(SGMII);JL4201-NC、JL4201-NI(SGMII、H-SGMII、2500BASE-X)
QSGMII4个千兆口复用一组串行差分,多口复用JL2308-PC、JL2308-PI、JL2388-PC、JL2388-PI
料号端口与速率MAC侧接口封装
JL1101BR-NI单口 10/100MRMII24-pin QFN,4mm×4mm
JL1111B-NC / -NI / -NE单口 10/100MMII、RMII32-pin QFN
JL2101C-NC / -NI / -NE单口 10/100/1000MRGMII40-pin QFN
JL2201B-NI单口 10/100/1000MRGMII、SGMII48-pin QFN
JL4201-NC / -NI单口 10M~2.5GSGMII、H-SGMII、2500BASE-X48-pin QFN
JL2308-PC / -PI、JL2388-PC / -PI8口 10/100/1000MQSGMII、O-USGMIILQFP-128 E-PAD

MAC侧IO电压:JL1101BR-NI为3.3V、2.5V、1.8V;JL2101C-NC、JL2101C-NI、JL2101C-NE的RGMII可选3.3V、2.5V、1.8V;JL2201B-NI的RGMII可选3.3V、2.5V、1.8V、1.5V;JL4201-NC、JL4201-NI的数字IO为3.3V、1.8V。其余料号的IO电压按各自规格书核对。

#七、选以太网PHY芯片MAC接口的四步

第一步,查主控手册,列出MAC实际引出的接口类型,以及每种接口能用的口数和引脚复用关系。第二步,按产品需要的速率和口数,在主控支持的接口里选一种:百兆单口选MII或RMII,千兆单口选RGMII或SGMII,2.5G看SerDes模式,多口千兆看QSGMII。第三步,用PHY规格书核对MAC侧IO电压、参考时钟来源、RGMII时序或SerDes模式是否和主控一致。第四步,再按工作温度、封装尺寸和线缆侧需求(是否要光口)确定具体料号。

打样前逐项确认以下10点:主控MAC接口类型;所需速率与口数;MAC侧IO电压;参考时钟由谁提供;RGMII时序由哪一侧处理;SGMII或QSGMII的自协商方式;MDC/MDIO地址设置;工作温度档;封装与板面空间;线缆侧是否需要光口及网络变压器的配套型号。

#八、常见问题

以太网PHY芯片的MII和RMII能不能混接

不能直接混接。两者的数据线和时钟方式不同,MAC和PHY必须配置成同一种接口。有的PHY同时支持两种模式,例如JL1111B-NI支持MII和RMII,可以按主控来选。

千兆PHY选RGMII还是SGMII

看主控引出哪一种。RGMII是并行接口,引脚多;SGMII是串行差分接口,引脚少。主控只有RGMII时可选JL2101C-NI或JL2201B-NI,只有SGMII时选MAC侧支持SGMII的JL2201B-NI。

主控只有SGMII,可以选只有RGMII的PHY吗

不能直接对接。应选择MAC侧支持SGMII的PHY,或增加接口转换器件。选型前先确认主控SerDes支持的速率模式。

8口千兆设计为什么用QSGMII的PHY

QSGMII把4个千兆口复用到一组串行差分接口上,8口只需2组,比8组RGMII省下大量引脚和走线。前提是主控或交换芯片带QSGMII接口。

以太网PHY芯片的MAC接口电压要怎么核对

把主控MAC引脚的IO电压和PHY规格书里MAC侧支持的电压逐一对照,并确认PHY的电压配置方式。例如JL2201B-NI的RGMII可选3.3V、2.5V、1.8V、1.5V,JL4201-NI的数字IO为3.3V、1.8V。

选好MAC接口后线缆侧还要配什么

电口要配网络变压器和RJ45,速率等级要和PHY一致;PHY的驱动方式也会影响网络变压器中心抽头的接法。需要光口时,选支持光口的PHY并配相应的光模块接口。

#规格书与样品

文中各料号的规格书可在对应产品页下载,样品可通过申请样品页提交。

——— VOOHU 沃虎电子 技术团队

技术支持邮箱:fae.thorne@voohu.cn | 电话:400-1048-018

苏州沃虎电子科技有限公司 | www.voohu.cn

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