FPGA 控制 RGMII 接口 PHY芯片基礎

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今天和大俠簡單聊一聊FPGA 控制 RGMII 接口 PHY芯片基礎，話不多說，上貨。

一、前言　

網(wǎng)絡通信中的PHY芯片接口種類有很多，之前接觸過GMII接口的PHY芯片RTL8211EG。但GMII接口數(shù)量較多，本文使用RGMII接口的88E1512搭建網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。這類接口總線位寬小，可以降低電路成本，在實際項目中應用更廣泛。

二、從GMII過度到RGMII

先看看GMII和RGMII主要的接口。

GMII：

發(fā)送 gmii_tx_clk gmii_tx_d[7:0] gmii_tx_en gmii_tx_er

接收 gmii_rx_clk gmii_rx_d[7:0] gmii_rx_dv gmii_rx_er

RGMII：

發(fā)送 tx_clk tx_d[3:0] tx_ctrl

接收 rx_clk rx_d[3:0] rx_ctrl

為什么接口變少了？首先數(shù)據(jù)總線從時鐘單邊沿采樣8bit轉變?yōu)榱穗p邊沿采樣4bit，從88E1512 Datasheet中時序圖可以直觀看出這一點。

RGMII中上升沿發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)的低四位，下降沿發(fā)送剩余的高四位數(shù)據(jù)。接收端時鐘雙邊沿采樣，因此125MHZ*8bit = 125MHZ*4bit*2 = 1000Mbit/s。至于GMII中的數(shù)據(jù)有效和數(shù)據(jù)錯誤指示信號被ctrl信號復用：tx_ctrl在時鐘tx_clk上升沿發(fā)送是tx_en，在下降沿發(fā)送是tx_en ^ tx_er。rx_ctrl在時鐘rx_clk上升沿接收是rx_dv，在下降沿接收是rx_en ^ rx_er。綜上，RGMII接口引腳數(shù)從25個降低到14個。

三、add clock skew

從上邊的時序圖分析，數(shù)據(jù)在時鐘的邊沿變化。因此如果不做額外處理，接收端無法穩(wěn)定采樣。為了解決這一問題，常見的做法是為時鐘信號添加延時，使其邊沿對準數(shù)據(jù)總線的穩(wěn)定區(qū)間。可以在控制器端、PCB走線以及PHY芯片內部添加時鐘偏移，本文使用最后一種方式實現(xiàn)。

在第三階段中添加延遲。數(shù)據(jù)發(fā)送方向，F(xiàn)PGA側的TX_CLK信號不需要額外處理，也就是說FPGA發(fā)送與數(shù)據(jù)邊沿對齊的時鐘信號。TXD和TX_CLK信號波形如圖。

PHY內部會調整TX_CLK，使之能夠穩(wěn)定采樣TXD。數(shù)據(jù)接收方向，由于RX_CLK由PHY提供，PHY芯片直接產(chǎn)生與數(shù)據(jù)中心對齊的時鐘信號。RXD和RX_CLK信號波形如圖。

可見，使PHY芯片工作在延遲模式下時，F(xiàn)PGA不需要添加額外的邏輯來保證穩(wěn)定采樣。發(fā)送方向直接將數(shù)據(jù)驅動時鐘作為TX_CLK信號發(fā)送，接收方向直接利用RX_CLK對RXD信號采樣。

四、系統(tǒng)設計方案

本文使用ZYNQ內部的MAC控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能。但由于其接口為GMII，需要用到GMII_to_RGMII IP Core轉換接口邏輯。上層網(wǎng)絡協(xié)議則通過LWIP開源協(xié)議棧完成。首先配置ZYNQ IP，使能ENET1并以EMIO方式引出。

系統(tǒng)硬件結構如圖：

五、I/O 時序約束

在較高速設計場合下，輸入輸出接口部分很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這時候就要通過Input delay，output delay約束以及STA來分析設計是否滿足穩(wěn)定采樣需求。input/output delay是指數(shù)據(jù)相對于時鐘的延遲，只有設置好上述兩個數(shù)值，綜合工具才會往正確的方向優(yōu)化并給出合理的時序報告。

FPGA與RGMII接口的PHY芯片之間的時序關系按照數(shù)據(jù)接口同步和數(shù)據(jù)采樣方式屬于源同步DDR采樣。input delay約束對應接收方向，時序關系是中心對齊。output delay約束對應發(fā)送方向，時序關系是邊沿對齊。前者由于很多時候不知道上游器件Tcko信息，會使用示波器測量有效數(shù)據(jù)窗口來計算。而后者因為是邊沿對齊，通過示波器測量抖動窗口并使用skew based method計算。這部分筆者還沒有親身實踐過，若有誤歡迎指出。