RMII模式以太網(wǎng)PHY芯片DP83848C的應用

摘要：介紹了美國國家半導體公司的PHY芯片DP83848C的功能特性；給出了在RMII(Reduced Medium Independent Interface，精簡的介質(zhì)無關接口)模式下的硬件電路及軟件設計，以及在PCB布局布線過程中的注意事項。該設計為嵌入式系統(tǒng)中以太網(wǎng)底層的軟硬件設計提供了參考，也為TCP／IP協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)上的實現(xiàn)提供了硬件平臺。
關鍵詞：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)無關接口)和RMII(精簡的介質(zhì)無關接口)，使設計更簡單靈活；同時，支持10BASE～T和100BASE-TX以太網(wǎng)外設，對其他標準以太網(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)之間的標準以太網(wǎng)接口，負責MAC和PHY之間的通信。由于MII需要多達16根信號線，由此產(chǎn)生的I／O口需求及功耗較大，有必要對MII引腳數(shù)進行簡化，因此提出了RMII(Reduced Medium Independent Interface，精簡的介質(zhì)無關接口)，即簡化了的MII。

1 硬件設計
1．1 電路設計
    DP83848C的收發(fā)線路各是一對差分線，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、信號整形、網(wǎng)絡隔離，以及濾除網(wǎng)絡和設備雙方面的噪音。典型應用如圖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，兩對差分信號(TD和RD)應平行走線，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，信號線上不應有交叉或者通孔，通孔會造成阻抗的非連續(xù)性，所以應將其數(shù)目降到最低；同時，差分線應盡可能走在一面，且不應將信號線跨越分割的平面，如圖4所示。信號跨越一個分割的平面會造成無法預測的回路電流，極可能導致信號質(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和接收錯誤RX_ER(可選信號)組成。在此基礎上，DP83848C還增加了RX_DV接收數(shù)據(jù)有效信號。
2. 1 REF_CLK——參考時鐘
    REF_CLK是一個連續(xù)時鐘，可以為CRS_DV、RXD[1：O]、TX_EN、TXD[1：O]、RX_DV和RX_ER提供時序參考。REF_CLK由MAC層或外部時鐘源源提供。REF_CLK頻率應為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的時鐘頻率一次傳送2位。因此，RMII模式需要一個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應被前導符的首個半字節(jié)同步確認，且在所有待傳雙位信號載入過程中都保持確認。跟隨一幀數(shù)據(jù)的末2位之后的首個REF_CLK上升沿之前，MAC需對TX_EN取反。TX_EN的變化相對于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個脈沖期間保持穩(wěn)定，確保DP83848C能夠每隔10個周期進行采樣。發(fā)送時序如圖5所示，發(fā)送延時情況如表l所列。其中，PMD為物理介質(zhì)關聯(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有效后的每個時鐘周期里，RXD[1：O]接收DP83848C的兩位恢復數(shù)據(jù)。在某些情況下(如數(shù)據(jù)恢復前或發(fā)生錯誤)，則接收到的是RXD[1：O]的預確定值而不是恢復數(shù)據(jù)。CRS_DV解除確認后，RXD[1：O]為“00”，表示進入空閑狀態(tài)。CRS_DV確認后，在產(chǎn)生正確的接收解碼之前，DP83848C將保證RXD[1：0]=“00”。
    DP83848C提供的恢復數(shù)據(jù)總是半字節(jié)或成對雙位信號的形式，這對于由前導符開始的所有數(shù)據(jù)值都成立。因為CRS_DV是異步確認的，不能假設先于前導符的“00”數(shù)據(jù)會是雙位信號形式。
    100 Mbps模式下，在CRS_DV確認之后的正常接收過程中，RXD[1：O]將會保持“00”，直到接收器檢測到正確的起始串分界符(Start St-ream Delimiter，SSD)。一旦檢測到SSD，DP83848C將會驅(qū)動前導符(“01”)，后面緊跟著起始幀分界符(Start of Frame Delimiter，SFD)(“01”“01”“01”“11”)。MAC應該開始SFD之后的數(shù)據(jù)。如果檢測到接收錯誤，在載波活動結(jié)束前，RXD[1：0]將會替換為接收字符串“01”。而由于幀中剩余數(shù)據(jù)被替換，MAC的奇偶校驗將會拒絕錯誤的信息包。如果檢測到錯誤的載波(壞的SSD)，RXD[1：O]將會替換為“10”，直到接收事件結(jié)束。這種情況下，RXD[1：O]將會從“00”變?yōu)?ldquo;10”，而無需標明前導符(“01”)。
    10 Mbps模式下，CRS_DV確認后，RXD[1：O]將會一直保持“00”，直到DP83848C有恢復脈沖并能對接收數(shù)據(jù)進行解碼為止。當存在有效接收數(shù)據(jù)時，RXD[1：O]以“01”為前導符接收恢復的數(shù)據(jù)值。因為REF_CLK頻率是10 Mbps模式下數(shù)據(jù)速率的10倍，MAC對RXD[1：0]上的值每隔10個周期采樣一次。接收時序如圖6所示，接收延時情況如表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RX_DV信號。RX-DV是沒有結(jié)合CRS的接收數(shù)據(jù)有效信號(Receive Data Valid)。第一個正確的恢復數(shù)據(jù)(前導符)或偽載波檢測到來時，RX_DV被確認，在恢復數(shù)據(jù)的末兩位傳送之后解除確認。通過使用該信號，全雙工MAC不必再從CRS _DV信號中恢復RX_DV信號。
2．6 CRS_DV——載波偵聽／接收數(shù)據(jù)有效
    當接收介質(zhì)處于非空閑狀態(tài)時，由PHY來確認CRS_DV。在載波檢測中，CRS_DV依據(jù)與工作模式相關的標準異步確認。10BASE_T模式下，靜噪通過時發(fā)生該事件。在100BASE-TX模式，當10位中檢測到2個非相鄰的零值時，發(fā)生該事件。
    在RMII規(guī)范(1．2版)中提到，載波丟失將導致與REF_CLK周期同步的CRS_DV解除確認，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)。在CRS_DV首次解除確認后，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應在每半個字節(jié)的第2個雙位上確認CRS_DV，并在一個半字節(jié)的第1個雙位解除確認。這樣，從半字節(jié)邊界開始，到CRS(載波偵聽／接收信號)在RX_DV前結(jié)束時，CRS_DV以25 MHz(100 Mbps模式)或2．5MHz(10 Mbps模式)的頻率翻轉(zhuǎn)(假設當載波事件結(jié)束時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將會異步地與CRS進行確認，但是要等傳送完最后的數(shù)據(jù)時才會解除確認，CRS_DV在數(shù)據(jù)包的末端不會被翻轉(zhuǎn)。該模式雖然不能對來自CRS_DV的CRS信號進行精確的恢復，但是卻可以使MAC層的設計更簡單。
    在出錯的載波活動時間中，CRS_DV保持確認。一旦確認CRS_DV，則可以認為在RXD[1：O]上的數(shù)據(jù)是有效的。然而，由于CRS_DV的確認相對于REF_CLK是異步的，因而在正確解碼接收信號之前，RXD[1：0]上的數(shù)據(jù)應為“00”。
2．7 RX_ER——接收錯誤
    遵照IEEE802．3標準的規(guī)定，DP83848C提供一個RX_ER輸出端。RX_ER可以維持一個或更多的REFCLK周期，來標識一個在當前PHY到幀的傳輸過程中曾出現(xiàn)的錯誤(MAC子層不一定能檢測到，但PHY可以檢測到的編碼錯誤或其他錯誤)。RX_ER的變化相對于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(即奇偶校驗)就可以檢測到錯誤。

2．8 沖突檢測
    RMII不向MAC提供沖突標志。對于半雙工操作，MAC必須從CRS_DV和TX_EN信號中產(chǎn)生它自己的沖突檢測。為了實現(xiàn)這一點MAC必須從CRS-DV信號中恢復CRS信號，并和TX_EN進行邏輯與。注意，不能直接使用CRS_DV，因為CRS_DV可能在幀的末端觸發(fā)以標志CRS解除確認。

3 RMII模式配置
    DP83848C的RMII模式配置包括硬件和軟件兩個方面。
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。在上電和復位時，強制DP83848C進入RMII模式。方法是通過在RX_DV／MII_MODE(39腳)接入一個上拉電阻。
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標準接口提供了一種連接方案，可以減少MAC至PHY接口所需要的引腳數(shù)目。該方案使得設計工程師在保持IEEE802．3規(guī)范中所有特性的同時，降低系統(tǒng)設計成本。正因為如此，DP83848C能夠更好地適應工業(yè)控制和工廠自動化，以及通用嵌入式系統(tǒng)等應用場合。