一、千兆以太網的系統搭建

1.硬件系統搭建

以太網MAC模塊負責實現以太網MAC子層的功能，完成802.3ab的數據封裝與解封。其同時負責適配硬件PHY的物理接口，組成物理層的通訊接口; 硬件系統的功能可以通過 Verilog HDL硬件描述語言在FPGA控制器內部來實現。當然也可以在FPGA控制器內，使用FPGA提供的MAC IP核來實現MAC協議功能，從而可以替代MAC接口協議芯片，這樣可以大大簡化系統的硬件電路設計。FPGA控制器通過GMII總線和PHY芯片進行數據通信，通過MDI/MDIO 管理接口，來配置并讀取PHY芯片內部的各寄存器。

PHY是物理接口收發器,它實現物理層.IEEE-802.3標準定義了以太網PHY。PHY在發送數據的時候,收到MAC過來的數據，然后把并行數據轉化為串行流數據,再按照物理層的編碼規則把數據編碼,再變為模擬信號把數據送出去。收數據時的流程反之。PHY還有個重要的功能就是實現CSMA/CD的部分功能。它可以檢測到網絡上是否有數據在傳送。PHY還提供了和對端設備連接的重要功能并通過LED燈顯示出自己目前的連接的狀態和工作狀態讓我們知道。

隔離變壓器：把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強信號,并且通過電磁場的轉換耦合到連接網線的另外一端。這樣不但使網線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號,隔斷了信號中的直流分量,還可以在不同0V電平的設備中傳送數據。

RJ45是布線系統中信息插座(即通信引出端)連接器的一種，上端連接PHY層物理層芯片，下端連接網線。有些廠家會將網絡變壓器融合至RJ45接頭中，在接口選型中要注意，如果廠家不自帶隔離變壓器，需在設計中考慮相關功能及器件。連接器由插頭(接頭、水晶頭)和插座(模塊)組成，插頭有8個凹槽和8個觸點，是標準8位模塊化接口的俗稱。為支持千兆以太網，制作直通線時一般采用T568B標準，即需要8個數據接口均需連接。

2.通信協議

互聯網協議按照功能不同分為osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層。從tcp/ip五層協議的角度來闡述可分為以下幾層：

1)物理層：計算機之間完成組網，即光纜、電纜、雙絞線、網線、無線電波等。

2)數據鏈路層：將單純的電信號0、1進行整合，形成統一標準，即“以太網協議ethernet”。包括定義數據幀、MAC地址等。

3)網絡層：局域網內進行通信。包括IP協議(配置IP地址、設置子網掩碼、解析IP數據包)和ARP協議(獲取主機MAC地址)等。

4)傳輸層：tcp協議、udp協議等。

5)應用層：www、FTP、HTTP、email等。

在基于FPGA的千兆以太網傳輸中，需將數據通過FPGA進行數據協議的打包和MAC協議處理，通過RGMII總線協議傳輸將數據傳送至PHY芯片，PHY芯片將數據進行處理后發送至RJ45接口進行數據發送。其中，PHY到FPGA的傳輸接口一般包括有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII、TBI、RTBI、XGMII、XAUI、XLAUI等， PHY到網絡變壓器之前傳輸接口一般為MDI。

按照OSI模型，基于開發板至上位機之間的通信需使用到的模型層有物理層(RJ45網接口)、數據鏈路層(PHY芯片和MAC協議)、網絡層(在FPGA中處理的MAC協議)、傳輸層(在FPGA中處理的數據協議打包)。

涉及到的傳輸協議有：以太網MAC協議與GMII協議。

以太網MAC協議主要負責控制與連接物理層的物理介質。MAC協議可以事先判斷是否可以發送數據,如果可以發送將給數據加上一些控制信息,最終將數據以及控制信息以規定的格式發送到物理層。該協議由硬件語言在FPGA控制器內部來實現。(數據分析)

GMII協議((Gigabit Media Independant Interface)千兆MII接口。GMII采用8位接口數據，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規定的10/100 Mbps工作方式。為FPGA(MAC控制器)與PHY芯片之間的數據傳輸協議。本項目中，結合芯片選型，可選取RGMII協議(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精簡GMII接口。信號定義如下：(數據傳輸)

信號名稱 描述 方向

TXC 發送時鐘 MAC→PHY

TX_CTL 發送數據控制 MAC → PHY

TXD[3:0] 發送數據4bit MAC → PHY

RXC 接收時鐘 PHY → MAC

RX_CTL 接收數據控制 PHY → MAC

RXD[3:0] 接收數據4bit PHY → MAC

MDIO 管理數據 雙向

MDC 管理數據時鐘 MAC → PHY

二、芯片選型

1.千兆以太網PHY芯片選型

以太網芯片市場規模龐大，而且比較穩固，但該市場每隔幾年就會出現一次重大技術轉變。該產業目前處于從快速以太網(FE)向千兆以太網(GbE)轉變過程的末期。其中大多數設計采用的是博通(Broadcom)、英特爾、Marvell和瑞昱(Realtek)的單芯片(MAC+PHY)控制器芯片。

Marvell(美滿)，美國品牌。常見的10/100/1000M自適應網卡芯片有Marvell的88E8001/88E8053/88E806*系列。屬于芯片第一梯隊。芯片質量最好，種類最齊全，產品成熟，達到工業級標準，但因目前國際關系，供貨不穩定。

Broadcom，美國品牌。包括FE PHY，千兆PHY，2.5G/5GBASE-T PHY，10GBASE-T PHY，汽車PHY等。常見的10/100/1000M自適應網卡芯片有BCM5721/5751系列芯片。芯片質量好，產品成熟，但因目前國際關系，供貨不穩定。

Realtek臺灣瑞昱，是典型的臺產網絡PHY芯片廠家。用戶可根據自己的需求自由選取10M/100M/1000Mbps三種不同通信速度的芯片。其產品支持單口多口，單口包括RTL8211系和RTL8251系，雙口為RTL8212系，四口為RTL8214系,八口則為RTL8208系。性價比也相對較高。市場份額最大，芯片質量雖不如美滿，但質量相對穩定。因使用范圍廣，參考資料較多。相比于其他品牌，供貨相對穩定。

ATHEROS(高通)，美國品牌，全球最大的無線半導體供應商。近幾年研發生產PHY芯片系列，常見的10/100/1000M自適應網卡芯片有AR8031與AR8035系列。

其他品牌包括：IC PLUS,臺灣九陽電子推出的IP101系列芯片有10M/100 Mbps兩種可選。SMSC，被美國Microchip公司收購, 在通信速度上有也有10M/ 100M/1000Mbps三種不同的選擇。目前在網絡PHY芯片主打型號為LAN87系列。

國產芯片中，生產PHY芯片的廠商有蘇州裕泰車通，但產品只有10/100M,并不支持千兆以太網。

本次設計中，選取Realtek公司的RTL8211E單口芯片，主要考慮因素有：滿足千兆以太網需求、產品穩定、技術文檔成熟、參考資料相對較多、貨源穩定、性價比高。可替代的產品有高通的AR8035、美滿的88E1111等。

引腳功能在下一節中有詳細介紹。具體引腳和封裝設計如下圖所示：

2.RJ45接口選型

為減少外部分立器件的數量，有助于布局布線，改善系統的EMC/EMI性能，盡量選擇連接器自帶隔離變壓器以及終端電阻的RJ45接口。在接口期間的廠商中，國產接口即可滿足設計需求。本次設計中，RJ45網絡接口采用中山市漢仁公司(HanRun)的 HR91130A，連接器自帶隔離變壓器以及終端電阻。該接口的引腳特性及外圍電路設計在下一節中有介紹。可替代器件有安費諾amphenol公司的MRJ548101、泰科電子TE connectivity的2301995-1等。下圖為該接口的封裝設計。

三、PHY芯片的外圍電路設計

RTL8211E應用主要包括電源部分設計、MDI接口設計、RGMII接口設計以及接口管理設計等四部分組成。

1.RTL8211E電源部分設計

RTL8211E的電源主要由3.3V及1.05V兩個電源組成，接入外部電源為3.3V，并通過自身的switching regulator形成1.05V電源或者從外部電源引入。這兩組電源主要為芯片運行以及GMII、MDI等IO接口驅動提供電源。如下則為RTL8211E、RTL8211EG的電源引腳說明。

RTL8211E的3.3V電源由外部電源VDD33引入，并通過去耦電容C3的過濾，形成芯片的數字3.3V電源DVDD33及模擬3.3V電源AVDD33。如圖，其中C3對電源質量影響比較大。

對于接口管理應用1.05V的IO驅動電源，則是通過芯片自身的switching regulator轉換或通過一個外接LDO進行轉換，如果采用自身的regulator轉換，則是3.3V模擬電源通過去耦電容接入芯片，另外通過外接0電阻與去耦電容形成模擬或數字1.05V電源。switching regulator只能給芯片自身的AVDD10和DVDD10供電，不能給其它外部電路供電。

2.RTL2811E至MDI接口設計

MDI( Medium Dependent Interface )介質相關接口與互聯網連接一般通過信號傳輸端(TD+&TD-)和信號接收端(RD+ &RD-)，然后再通過網絡濾波器以及RJ-45與終端網絡相連。

MDI連接屬于高速信號連接，對MDI線路設計時時需特別注意，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M網絡變壓器，以及到RJ-45接口的路徑需要盡可能短，RTL8211E/RTL8211EG到10/100/1000M網絡變壓器的距離不能超過12cm，而且兩對接受或傳輸差分信號線需盡可能的接近，可使噪聲影響互相抵消。一般兩者之前距離等于一線寬，例如，信號線寬8mil，則D1的寬度為8mil。兩組信號線之間的跟離D2一般推薦為30mil。

3. RTL8211E之RGMII接口設計

MII是英文Medium Independent Interface的縮寫，翻譯成中文是“介質獨立接口”，該接口一般應用于MAC層和PHY層之間的以太網數據傳輸，也可叫數據接口，MII即Reduced MII、是MII的簡化。與MII接口相比，GMII的數據寬度由4位變為8位，GMII接口中的控制信號如TX_ER、TX_EN、RX_ER、RX_DV、CRS和COL的作用同MII接口中的一樣，發送參考時鐘GTX_CLK和接收參考時鐘RX_CLK的頻率均為125MHz(1000Mbps/8=125MHz)。

RGMII連接屬于高速信號連接，對RGMII線路設計時時需特別注意，RTL8211E/RTL8211EG到MAC之間的不能超過2.5inch。RGMII時鐘信號與數據信號之間需要留20mils的間距，GMII 接收與發送布線長度之差還要超過100mils。RGMII的布線都有一塊沒破壞的完整地平面。

根據RGMII協議，TXC與RXC分別為數據傳輸中發送與接收的頻率，在千兆以太網中，分別為125MHz。接收數據的端口為RX[0…3]，控制使能為TX_CTL;發送數據的端口為TX[0…3]，控制使能為RX_CTL。

為了EMI考慮，需要在PHY芯片RXC端放置一個RC濾波，并在MAC芯片TXC端放置一個RC濾波。

根據芯片手冊，MDC/MDIO管理接口用于控制芯片的工作模式，由于其采用開漏輸出，需要通過上拉電阻維持其工作狀態。

4. RJ45接口的外圍電路設計

千兆PHY通過網絡變壓器連接到RJ45接口，一共有4對差分線MDI[0…3]+/-。一般的接法是：

MDI[0]+ : RJ45[1]

MDI[0]- : RJ45[2]

MDI[1]+ : RJ45[3]

MDI[1]- : RJ45[6]

MDI[2]+ : RJ45[4]

MDI[2]- : RJ45[5]

MDI[3]+ : RJ45[7]

MDI[3]- : RJ45[8]

RJ45[1…8]連接器的線序與水晶頭的壓接順序一致。

四、電路板設計

PCB板層設計可根據FPGA資源利用的情況及BGA芯片的扇出情況進行設定，可使用常規的六層電路板設計布線，即SIG-GND-SIG-PWR-GND-SIG。信號層與接地層相鄰，電源層與接地層配對，這樣具有較好的信號完整性。建議對Rx±、Tx±差分對進行阻抗控制，阻抗控制在100歐姆±10%。

布線規則如下：

以太網接口速率較高，會產生較大的干擾，會在銅皮產生感應電流，在RJ45接口處需將除差分引腳外的信號全部挖空，挖空區避免走線。

機殼地走線加粗，一般為1mm，機殼地與板內板的邊緣間距要大于或等于1mm。

3.電源地走線加粗。

等長要求，TX+與TX-信號做等長，RX+與RX-做等長，盡量保持差分對平行、等長、短距，避免過孔、交叉。由于管腳分布、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長易不匹配，時序會發生偏移，還會引入共模干擾，降低信號質量。長度差通常控制在5mil以內。

TX與RX應分開不同層走線，如果同層，間距應拉開4W(4倍線寬)。

6.PHY芯片發熱量較大，可適當考慮增加散熱孔或背面開窗。

根據芯片手冊，布線時還應注意以下事項：

1.輸入3.3V電壓與芯片VDDREG引腳連接時，線寬需超過40mils。

2.去耦電容需放置在距離VDDREG引腳200mils(0.5cm)范圍內，以防止輸入電壓過沖。

3.輸出電壓REGOUT的線寬必須大于60mils。

3.輸出電壓REGOUT的電感必須放置在引腳200mils(0.5cm)范圍內;電容需放置在距離電感200mils(0.5cm)范圍內。

為了保證開關穩壓器的穩定性，Cout1與Cout2必須為陶瓷電容器(X5R)，Cin1和Cin2需為陶瓷電容器。

5.電感和Cin1需要和芯片在同一層布線;VDDREG和REGOUT之間的連線不能使用過孔。

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