RMII模式以太網(wǎng)PHY芯片DP83848C的應(yīng)用

摘要：介紹了美國國家半導(dǎo)體公司的PHY芯片DP83848C的功能特性；給出了在RMII(Reduced Medium Independent Interface，精簡(jiǎn)的介質(zhì)無關(guān)接口)模式下的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)，以及在PCB布局布線過程中的注意事項(xiàng)。該設(shè)計(jì)為嵌入式系統(tǒng)中以太網(wǎng)底層的軟硬件設(shè)計(jì)提供了參考，也為TCP／IP協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)提供了硬件平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：RMII；DP83848C；以太網(wǎng)；物理層；介質(zhì)訪問控制

引言
    DP83848C是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款魯棒性好、功能全、功耗低的10／100 Mbps單路物理層(PHY)器件。它支持MII(介質(zhì)無關(guān)接口)和RMII(精簡(jiǎn)的介質(zhì)無關(guān)接口)，使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單靈活；同時(shí)，支持10BASE～T和100BASE-TX以太網(wǎng)外設(shè)，對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)解決方案有良好的兼容性和通用性。
    MII(Medium Independent Interface)是IEEE802．3u規(guī)定的一種介質(zhì)無關(guān)接口，主要作用是連接介質(zhì)訪問控制層(MAC)子層與物理層(PH-Y)之間的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，負(fù)責(zé)MAC和PHY之間的通信。由于MII需要多達(dá)16根信號(hào)線，由此產(chǎn)生的I／O口需求及功耗較大，有必要對(duì)MII引腳數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此提出了RMII(Reduced Medium Independent Interface，精簡(jiǎn)的介質(zhì)無關(guān)接口)，即簡(jiǎn)化了的MII。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 電路設(shè)計(jì)
    DP83848C的收發(fā)線路各是一對(duì)差分線，經(jīng)過變比為1：1的以太網(wǎng)變壓器后與網(wǎng)線相連。以太網(wǎng)變壓器的主要作用是阻抗匹配、信號(hào)整形、網(wǎng)絡(luò)隔離，以及濾除網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備雙方面的噪音。典型應(yīng)用如圖1所示。

    圖2是DP83848C與MAC的連接電路。其中，Xl為50 MHz的有源振蕩器。

1．2 PCB布局布線
    布局方面，精度為1％的49．9 Ω電阻和100 nF的去耦電容應(yīng)靠近PHY器件放置，并通過最短的路徑到電源。如圖3所示，兩對(duì)差分信號(hào)(TD和RD)應(yīng)平行走線，避免短截，且盡量保證長度匹配，這樣可以避免共模噪聲和EMI輻射。理想情況下，信號(hào)線上不應(yīng)有交叉或者通孔，通孔會(huì)造成阻抗的非連續(xù)性，所以應(yīng)將其數(shù)目降到最低；同時(shí)，差分線應(yīng)盡可能走在一面，且不應(yīng)將信號(hào)線跨越分割的平面，如圖4所示。信號(hào)跨越一個(gè)分割的平面會(huì)造成無法預(yù)測(cè)的回路電流，極可能導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量惡化并產(chǎn)生EMI問題。注意，圖3和圖4中，陰影部分為錯(cuò)誤方法。

2 RMll模式描述
    RMII模式在保持物理層器件現(xiàn)有特性的前提下減少了PHY的連接引腳。
    RMII由參考時(shí)鐘REF_CLK、發(fā)送使能TX_EN、發(fā)送數(shù)據(jù)TXD[1：0]、接收數(shù)據(jù)RXD[1：0]、載波偵聽／接收數(shù)據(jù)有效CRS_DV和接收錯(cuò)誤RX_ER(可選信號(hào))組成。在此基礎(chǔ)上，DP83848C還增加了RX_DV接收數(shù)據(jù)有效信號(hào)。
2. 1 REF_CLK——參考時(shí)鐘
    REF_CLK是一個(gè)連續(xù)時(shí)鐘，可以為CRS_DV、RXD[1：O]、TX_EN、TXD[1：O]、RX_DV和RX_ER提供時(shí)序參考。REF_CLK由MAC層或外部時(shí)鐘源源提供。REF_CLK頻率應(yīng)為50 MHz±50×10-6，占空比介于35％和65％之間。在RMII模式下，數(shù)據(jù)以50 MHz的時(shí)鐘頻率一次傳送2位。因此，RMII模式需要一個(gè)50 MHz有源振蕩器(而不是晶振)連接到器件的X1腳。
2．2 TX_EN——發(fā)送使能
    TX_EN表示MAC層正在將要傳輸?shù)碾p位數(shù)據(jù)放到TXD[1：O]上。TX_EN應(yīng)被前導(dǎo)符的首個(gè)半字節(jié)同步確認(rèn)，且在所有待傳雙位信號(hào)載入過程中都保持確認(rèn)。跟隨一幀數(shù)據(jù)的末2位之后的首個(gè)REF_CLK上升沿之前，MAC需對(duì)TX_EN取反。TX_EN的變化相對(duì)于REF_CLK是同步的。
2．3 TXD[1：0]——發(fā)送數(shù)據(jù)
    TXD[1：O]的變換相對(duì)于REF_CLK是同步的。TX_EN有效后，PHY以TXD[1：0]作為發(fā)送端。
    在10 Mbps模式下，由于REF_CLK的頻率是在10Mbps模式中數(shù)據(jù)速率的10倍。因此TXD[1：0]上的值必須在10個(gè)脈沖期間保持穩(wěn)定，確保DP83848C能夠每隔10個(gè)周期進(jìn)行采樣。發(fā)送時(shí)序如圖5所示，發(fā)送延時(shí)情況如表l所列。其中，PMD為物理介質(zhì)關(guān)聯(lián)層(physical media depen-dent)接口。

　
2．4 RXD[1：0]——接收數(shù)據(jù)
    RXD[1：0]轉(zhuǎn)換是與REF_CLK同步的。在CRS_DV有效后的每個(gè)時(shí)鐘周期里，RXD[1：O]接收DP83848C的兩位恢復(fù)數(shù)據(jù)。在某些情況下(如數(shù)據(jù)恢復(fù)前或發(fā)生錯(cuò)誤)，則接收到的是RXD[1：O]的預(yù)確定值而不是恢復(fù)數(shù)據(jù)。CRS_DV解除確認(rèn)后，RXD[1：O]為“00”，表示進(jìn)入空閑狀態(tài)。CRS_DV確認(rèn)后，在產(chǎn)生正確的接收解碼之前，DP83848C將保證RXD[1：0]=“00”。
    DP83848C提供的恢復(fù)數(shù)據(jù)總是半字節(jié)或成對(duì)雙位信號(hào)的形式，這對(duì)于由前導(dǎo)符開始的所有數(shù)據(jù)值都成立。因?yàn)镃RS_DV是異步確認(rèn)的，不能假設(shè)先于前導(dǎo)符的“00”數(shù)據(jù)會(huì)是雙位信號(hào)形式。
    100 Mbps模式下，在CRS_DV確認(rèn)之后的正常接收過程中，RXD[1：O]將會(huì)保持“00”，直到接收器檢測(cè)到正確的起始串分界符(Start St-ream Delimiter，SSD)。一旦檢測(cè)到SSD，DP83848C將會(huì)驅(qū)動(dòng)前導(dǎo)符(“01”)，后面緊跟著起始幀分界符(Start of Frame Delimiter，SFD)(“01”“01”“01”“11”)。MAC應(yīng)該開始SFD之后的數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)到接收錯(cuò)誤，在載波活動(dòng)結(jié)束前，RXD[1：0]將會(huì)替換為接收字符串“01”。而由于幀中剩余數(shù)據(jù)被替換，MAC的奇偶校驗(yàn)將會(huì)拒絕錯(cuò)誤的信息包。如果檢測(cè)到錯(cuò)誤的載波(壞的SSD)，RXD[1：O]將會(huì)替換為“10”，直到接收事件結(jié)束。這種情況下，RXD[1：O]將會(huì)從“00”變?yōu)?ldquo;10”，而無需標(biāo)明前導(dǎo)符(“01”)。
    10 Mbps模式下，CRS_DV確認(rèn)后，RXD[1：O]將會(huì)一直保持“00”，直到DP83848C有恢復(fù)脈沖并能對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼為止。當(dāng)存在有效接收數(shù)據(jù)時(shí)，RXD[1：O]以“01”為前導(dǎo)符接收恢復(fù)的數(shù)據(jù)值。因?yàn)镽EF_CLK頻率是10 Mbps模式下數(shù)據(jù)速率的10倍，MAC對(duì)RXD[1：0]上的值每隔10個(gè)周期采樣一次。接收時(shí)序如圖6所示，接收延時(shí)情況如表2所列。

2．5 RX_DV——接收數(shù)據(jù)有效
    盡管RMII并不要求，DP83848C還是提供了一個(gè)RX_DV信號(hào)。RX-DV是沒有結(jié)合CRS的接收數(shù)據(jù)有效信號(hào)(Receive Data Valid)。第一個(gè)正確的恢復(fù)數(shù)據(jù)(前導(dǎo)符)或偽載波檢測(cè)到來時(shí)，RX_DV被確認(rèn)，在恢復(fù)數(shù)據(jù)的末兩位傳送之后解除確認(rèn)。通過使用該信號(hào)，全雙工MAC不必再從CRS _DV信號(hào)中恢復(fù)RX_DV信號(hào)。
2．6 CRS_DV——載波偵聽／接收數(shù)據(jù)有效
    當(dāng)接收介質(zhì)處于非空閑狀態(tài)時(shí)，由PHY來確認(rèn)CRS_DV。在載波檢測(cè)中，CRS_DV依據(jù)與工作模式相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)異步確認(rèn)。10BASE_T模式下，靜噪通過時(shí)發(fā)生該事件。在100BASE-TX模式，當(dāng)10位中檢測(cè)到2個(gè)非相鄰的零值時(shí)，發(fā)生該事件。
    在RMII規(guī)范(1．2版)中提到，載波丟失將導(dǎo)致與REF_CLK周期同步的CRS_DV解除確認(rèn)，這在RXD[1：O]半字節(jié)的首兩位出現(xiàn)(即CRS_DV僅在半字節(jié)邊界解除確認(rèn))。在CRS_DV首次解除確認(rèn)后，如果DP83848C還有數(shù)據(jù)位要加在RXD[1：O]上，則在REF_CLK周期中，DP83848C應(yīng)在每半個(gè)字節(jié)的第2個(gè)雙位上確認(rèn)CRS_DV，并在一個(gè)半字節(jié)的第1個(gè)雙位解除確認(rèn)。這樣，從半字節(jié)邊界開始，到CRS(載波偵聽／接收信號(hào))在RX_DV前結(jié)束時(shí)，CRS_DV以25 MHz(100 Mbps模式)或2．5MHz(10 Mbps模式)的頻率翻轉(zhuǎn)(假設(shè)當(dāng)載波事件結(jié)束時(shí)DP83848C還有待傳送的數(shù)據(jù)位)。
    通過編程DP83848C能夠與RMII規(guī)范(1．0版)很好地兼容。在該模式下，CRS_DV將會(huì)異步地與CRS進(jìn)行確認(rèn)，但是要等傳送完最后的數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)解除確認(rèn)，CRS_DV在數(shù)據(jù)包的末端不會(huì)被翻轉(zhuǎn)。該模式雖然不能對(duì)來自CRS_DV的CRS信號(hào)進(jìn)行精確的恢復(fù)，但是卻可以使MAC層的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。
    在出錯(cuò)的載波活動(dòng)時(shí)間中，CRS_DV保持確認(rèn)。一旦確認(rèn)CRS_DV，則可以認(rèn)為在RXD[1：O]上的數(shù)據(jù)是有效的。然而，由于CRS_DV的確認(rèn)相對(duì)于REF_CLK是異步的，因而在正確解碼接收信號(hào)之前，RXD[1：0]上的數(shù)據(jù)應(yīng)為“00”。
2．7 RX_ER——接收錯(cuò)誤
    遵照IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，DP83848C提供一個(gè)RX_ER輸出端。RX_ER可以維持一個(gè)或更多的REFCLK周期，來標(biāo)識(shí)一個(gè)在當(dāng)前PHY到幀的傳輸過程中曾出現(xiàn)的錯(cuò)誤(MAC子層不一定能檢測(cè)到，但PHY可以檢測(cè)到的編碼錯(cuò)誤或其他錯(cuò)誤)。RX_ER的變化相對(duì)于REF_CLK是同步的。
    由于DP83848C是通過以固定數(shù)據(jù)代替原來數(shù)據(jù)的方式干擾到RXD[1：O]，所以MAC不需要RX_ER，而只需CRC校驗(yàn)(即奇偶校驗(yàn))就可以檢測(cè)到錯(cuò)誤。

2．8 沖突檢測(cè)
    RMII不向MAC提供沖突標(biāo)志。對(duì)于半雙工操作，MAC必須從CRS_DV和TX_EN信號(hào)中產(chǎn)生它自己的沖突檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)MAC必須從CRS-DV信號(hào)中恢復(fù)CRS信號(hào)，并和TX_EN進(jìn)行邏輯與。注意，不能直接使用CRS_DV，因?yàn)镃RS_DV可能在幀的末端觸發(fā)以標(biāo)志CRS解除確認(rèn)。

3 RMII模式配置
    DP83848C的RMII模式配置包括硬件和軟件兩個(gè)方面。
3．1 硬件配置
    如圖2所示，DP83848C的X1(34)腳上提供50 MHzCMOS電平的振蕩信號(hào)。在上電和復(fù)位時(shí)，強(qiáng)制DP83848C進(jìn)入RMII模式。方法是通過在RX_DV／MII_MODE(39腳)接入一個(gè)上拉電阻。
3．2 軟件配置

    PHY的軟件初始化流程如圖7所示。

結(jié)語
    DP83848C配合RMII標(biāo)準(zhǔn)接口提供了一種連接方案，可以減少M(fèi)AC至PHY接口所需要的引腳數(shù)目。該方案使得設(shè)計(jì)工程師在保持IEEE802．3規(guī)范中所有特性的同時(shí)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。正因?yàn)槿绱耍?strong>DP83848C能夠更好地適應(yīng)工業(yè)控制和工廠自動(dòng)化，以及通用嵌入式系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。