千兆PHY详解及调试举例

千兆PHY详解及调试举例

全文约18000字。

从硬件上来说，一般PHY芯片为模数混合电路，负责接收电、光这类模拟信号，经过解调和A/D转换后通过MII接口将信号交给MAC芯片进行处理。一般MAC芯片为纯数字电路。

物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。

下图为RTL8211的原理框图，详细的数据手册链接如下：

http://download3.dvd-driver.cz/realtek/datasheets/pdf/rtl8211e(g)-vb(vl)-cg_datasheet_1.6.pdf

图8‑17 RTL8211原理框图

下图是Ti的DP83865原理框图，详细的数据手册链接如下：

http://www.ti.com/product/DP83865/technicaldocuments

图8‑18 DP83865原理框图

下图为88X3140/3120的原理框图，详细的数据手册链接如下：

https://www.marvell.com/products/transceivers/alaska-x-gbe.html

图8‑19 88X3140/3120原理框图

通过几个PHY片的原理框图可以总结出下面的简化PHY片的原理框图。

图8‑20 PHY简化的原理框图

从上图可知，PHY它包含了多个功能模块，功能模块的多少会因需要的不同而有所增减，比如：

只有10GBase-R、40GBase-R、100GBase-R的PCS需要FEC；

40GBase-R的PCS需要2个PMA、100GBase-R的PCS需要3个PMA；

只有≥1Gbps以上的背板应用场景才会用到AN。

接下来详细介绍上图中各个功能模块：

表8‑6 各个功能模块的作用

图中还有连接各个模块间的接口比较特殊，这里面在单独列出来，如下表所示：

表8‑7 各个模块间的接口

1：nPPI特定出现在PMD所接的媒介是光纤的情况下，比如40GBase-SR4、100GBase-SR10、40GBase-LR4协议。也就是说这种情况下的PMD是光模块，nPPI就必然是一种chip to module间的接口，这也是IEEE802.3标准与OIF_CEI标准兼容的地方之一。nPPI按照通道数量的不同分成两种。

·XLPPI：40 Gigabit Parallel Physcial Interface，4条lane，每条lane的数率是10.3125Gbps；

·CPPI：100Gigabit Parallel Physcial Interface，10条lane，每条lane的数率是10.3125Gbps；

1.1.1选型

使用外部PHY时，首先第一步就是要对要使用的PHY进行选型，不同应用场合选型标准不一，主要包括以下几个方面：

1、速率：千兆、百兆、十兆，现在大部分PHY的速率都是三个速率兼容的；

2、IO口电平：这部分主要涉及到主控和PHY能否通信的问题，例如FPGAde bank电压设计的是1.8V，而常规的PHY是不兼容1.8V IO电平的（常规2.5V or 3.3V），这就需要选型时需要注意。

3、品牌：公司选用的时候会有自己合作的品牌，当然会有FAE的技术支持，这个不需要考虑太多。如果是个人使用调试，一定要选用一个常规的PHY，因为应用的比较多，这样应用时留给自己的“坑”比较少，同时调试的时候会有很多应用经验，最后就是一定要选用大厂的芯片，即使后面没有别人的应用经验分享，大厂都会有自己的网页论坛，你可以在上面留言，也会有一些技术支持的。

4、媒体独立接口：这个和主控有关，是选用MII、RGMII、SGMII接口，不同芯片接口不同。

5、Media types：这个和自己应用场合有关，是背板连接，还是通用网口连接，这个主要有：BASE-T、BASE-X等等

6、封装：这个是和PCB设计有关，如果自己应用PCB尺寸比较小，用大的封装PHY肯定不合适。

7、应用环境和价格：这部分主要看自己应用场合，例如高温环境，就需要选用温宽较宽的PHY。价格就无需多说，理论数上这是第一应该考虑的问题。

8、资料完整性：如果是自己设计，一定要考虑资料完整性，对于一些公司，他们的资料相对封闭，尤其是datasheet和refence，网上可能有资料，但是一定要确认是不是最新的，因为大公司会根据用户的反馈实时更新数据手册中的bug。还有参考设计这些，会让自己的研发周期大大减少。

以上各个方面问题，不分先后，不同应用场合考虑的重点不一样。

1.1.2PHY硬件设计

这部分不是要学会硬件设计，二是要学会看硬件的相关配置，尤其出现一些问题时，首先要确认硬件是否有问题，然后才看代码是否有问题。

PHY的硬件总结起来就是四方面：

1、电源；

2、时钟

3、复位

4、IO

电源

电源是整个PHY能否正常工作的基本条件，下面总结一下某一款PHY的电源需求，如下：

表8‑8 电源

注： AVDD33_*与 VDD3P3 无关， 不管 VDD3P3 接任何电压， AVDD33_*均接 3.3V。

AVDD33_*是模拟电，主要给PHY内部模拟部分供电，一般这个不会随着应用而改变，应用时，注意这部分和数字3V3的隔离，一般采用π型滤波，建议每一个名称都用一个π型滤波进行隔离，不建议合在一起供电。

而DVDD这个电，一般是核电，主要给PHY内部核供电，典型电压1.0/1.1/1.4等，这部分注意一点就是，PHY一般都会提供一个内部LDO或DC-DC，将3V3转成DVDD需要的电压，例如上面的AVDD_LDO就是输入电压，REG_OUT就是输出电压，典型应用电路如下：

图8‑21 DVDD供电电路

这个应用PHY都会有一个配置管脚选择内部供电还是外部供电，建议预留外部供电，防止外部应用环境复杂的情况下，内部供电不稳定，例如，电磁干扰导致内部供电不稳定，最后导致网络LINK不稳，丢包等情况。

VDD3P3这个主要设置数字IO电平的电压，例如FPGA或者其他主控RGMII接口只有2.5V电平，那VDD3P3就需要接2.5V电，其他类似。

时钟

时钟包括MII接口时钟和PHY工作时钟，MII接口时钟一般都由主控提供，做好信号完整性即可。

PHY的工作时钟有很多种方式，下面是某一PHY的时钟设置：

表8‑9 PHY时钟选择

一般PHY都有一个CLKSEL配置引脚，该引脚接0，需要外接时钟源，可以通过主控或者有源晶振提供时钟源，这时CKXTALIN需要接地，防止EMC测试不通过；

CLKSEL接高电平时，可以外接晶体，这时CLK25需要接地，原因同上。

同时一般PHY还有一个CLK125，这个是输出引脚。

当采用接时钟源时如果是主控提供时钟源，一般预留一个外部晶振以面对复杂的应用环境对长时钟链路的影响。

复位

PHY的复位引脚，主要用来复位整个PHY片，这个引脚一般主控都会有专用的引脚，这个引脚没什么特殊的，主要需要评估主控的驱动能力是否满足，该引脚一般是高阻，所以大部分主控的普通IO也都满足驱动能力。

复位唯一需要注意的是PHY的上电时序，下面是某一PHY的时序要求：

图8‑22 PHY复位时序

为了保证PHY的稳定工作，一般的PHY都是先电源供电，然后时钟工作，最后进行复位，具体的时序要求，可以查看相关的数据手册。

IO

IO部分，主要包括配置接口、MII接口、MDIO接口和MDI接口。

MII接口这个主要注意和主控的电平匹配及信号完整性即可；PHY 芯片内部含有一些列寄存器，用户可通过这些寄存器来配置 PHY 芯片的工作模式以及获取 PHY 芯片的若干状态信息，如连接速率、双工模式、自协商状态等。PHY 内部寄存器的读写通过 MDIO 接口进行。注意MDO口的上拉，其他就是主控的配置PHY，后面会详细介绍。

MDI接口或其他输出接口，常规应用时一般都是MDI接口，注意PHY是否需要再MDI接口上做匹配电路。MDI接口后面一般会接变压器，注意变压器的抽头电压。如果是其他接口，例如BASE-X，注意AC耦合电容的放置位置。

这里注意一下，如果使用RGMII接口，RGMII接口可以通过内部寄存器设置延迟模式和非延迟模式，具体含义如下：

一般的 PHY 芯片都支持两种 RGMII 发送端口的时序关系。一种称为非延时模式，如下图所示：

图8‑23 RGMII发送端非延时模式（来源88E1512datasheet，下同）

即要满足时钟信号 TXC 的边沿对准数据信号 TXD[3:0]和控制信号 TX_CTL 有效窗口中心附近的位置，也就是说 TXC 比其他信号存在 2ns（ 90°相位）（2ns来源：当 RGMII 接口工作于 1000M 速率时， TXC 和RXC 时钟信号都为 125MHz，那么单个接口的数据率便等同于 250Mbps，单个信号的有效数据窗最大为 4ns。）左右的延时。

另一种为延时模式，如下图所示。

图8‑24 RGMII发送端延时模式（来源88E1512datasheet，下同）

这种时序要求 TXC 的边沿不其发送的数据 TXD 和控制信号 TX_CTL 边沿对齐，所有信号具有相同的相位。

一般来说，大部分 PHY 芯片默认都是采用正常时序模式，可通过 MDIO 接口设置寄存器，或者芯片特殊功能引脚将其配置为延时模式。

配置IO

这部分是PHY能工作在不同应用的主要部分，目前我应用最复杂的PHY就是Marvell的88E1111，有7个config引脚，有N种应用，下面就针对88E1111的配置进行解读，学会了88E1111的硬件配置，其他的PHY也就会了。