董乾 劉勇 趙賽

（東南大學(xué)無錫分校，江蘇無錫 214135）

摘 要：隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和性能必須有很大提升，智能終端通信帶寬也必須相應(yīng)提高。100G以太網(wǎng)相對千兆以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)位寬更大，時鐘頻率更高。因此，MII接口的設(shè)計和實現(xiàn)都面臨新的挑戰(zhàn)。本文主要研究100G以太網(wǎng)介質(zhì)無關(guān)接口（CGMII）的設(shè)計，完成根據(jù)協(xié)議規(guī)定在全雙工模式下的MAC幀數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化，以及對鏈路故障的處理。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；100G；MAC；MII

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2013） 09-0000-04

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用層和業(yè)務(wù)層也發(fā)生著變革[1]。高清、3D、超高清等視頻業(yè)務(wù)層出不窮，存儲、共享等數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)需求也呈快速增長的趨勢，海量數(shù)據(jù)傳送的需求在日益增強。因此，進行下一代高速以太網(wǎng)技術(shù)的研究非常必要[2][3]。最新發(fā)布的IEEE802.3ba協(xié)議的100G標(biāo)準(zhǔn)，在提高速率、增加帶寬的同時，能節(jié)約成本，降低功耗；為更高速的以太網(wǎng)應(yīng)用，鋪平了發(fā)展之路[4]。本文即研究基于IEEE802.3ba協(xié)議的100G以太網(wǎng)的介質(zhì)無關(guān)接口（100Gb/sMediaIndependentInterface，即CGMII）。

1 CGMII接口概述

CGMII接口以及RS子層處于MAC和PHY之間。圖1描述了RS子層和MII在OSI參考模型中的位置。

圖1 RS子層和MII在OSI參考模型中的位置

GMII接口是IEEE802.3ba規(guī)定的一種與介質(zhì)無關(guān)的接口。它提供獨立的64bits位寬的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)通道，僅支持全雙工操作。CGMII接口是連接MAC子層與物理層之間的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，負責(zé)MAC和以太網(wǎng)PHY之間的通信。CGMII有三類信號：64bits數(shù)據(jù)信號（TXD<63：0>和RXD<63：0>），8bits控制信號（TXC<7：0>和RXC<7：0>）以及時鐘信號（TX_CLK和RX_CLK）[2][5]。

64bitsTXD/RXD和8bitsTXC/RXC信號輸入到8條數(shù)據(jù)通道，同方向的8條通道共用同一時鐘TX_CLK/RX_CLK，8條通道使用round-robin順序傳輸一個字節(jié)數(shù)據(jù)流。

CGMII數(shù)據(jù)包格式如下：

。

幀間距（inter-frame）是一個沒有幀數(shù)據(jù)活動的區(qū)間。幀間距在終止控制字符（Terminatecontrolcharacter）之后開始傳輸，在開始控制字符（Startcontrolcharacter）之前結(jié)束。

前導(dǎo)碼（preamble）和幀首定界符（startofframedelimiter即Sfd）：前導(dǎo)碼在一個幀傳輸之前發(fā)送，其值如下：10101010，開始控制字符表示在CGMII上MAC數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。發(fā)送時，RS子層將前導(dǎo)碼的第一個字節(jié)轉(zhuǎn)換成開始控制字符；接收時，RS子層將開始控制字符轉(zhuǎn)換成前導(dǎo)碼的第一個字節(jié)。開始控制字符對齊在通道0上。緊接前導(dǎo)碼之后的是幀首定界符Sfd，其值為10101011。前導(dǎo)碼和Sfd從最左邊的bits位到最右邊的bits位進行串行傳輸。前導(dǎo)碼和Sfd以字節(jié)按8個通道的順序有序地通道CGMII傳輸，如表1所示。

表1 前導(dǎo)碼和SFD傳輸圖

通道0 通道1 通道2 通道3 通道4 通道5 通道6 通道7

開始字符 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011

數(shù)據(jù)（Data）：包括一系列的數(shù)據(jù)字節(jié)。

幀尾定界符（Endofframedelimiter即Efd）：對于發(fā)送數(shù)據(jù)流，在某通道上根據(jù)TXC信號以及終止控制字符編碼組成幀尾定界符，在接收數(shù)據(jù)流上情況相同。CGMII在任意8個通道中都能識別Efd。

2 CGMII設(shè)計

2.1 功能定義和總體結(jié)構(gòu)

2.1.1 功能定義

CGMII的邏輯控制信號和功能程序的設(shè)計都是為了使不同的介質(zhì)和收發(fā)器組合對于MAC子層沒有任何影響[3][6]。

本文涉及的以太網(wǎng)100GCGMII接口主要具有以下功能：

（1）支持IEEE802.3ba協(xié)議；

（2）支持100G工作速度；

（3）支持全雙工工作模式；

（4）支持鏈路故障處理。

2.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分

以太網(wǎng)100GCGMII接口的設(shè)計是在IEEE802.3ba以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計一個MAC層的介質(zhì)無關(guān)接口（CGMII）[7]，能夠在100G的速率下按照協(xié)議發(fā)送和接收PHY能夠統(tǒng)一識別的數(shù)據(jù)幀。發(fā)送時，在發(fā)送時鐘下通過CGMII接口將MAC子層發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀發(fā)往物理層PHY，在CGMII發(fā)送模塊根據(jù)協(xié)議中的發(fā)送機制封裝數(shù)據(jù)。在接收時，從物理層PHY接收到幀，按照協(xié)議的接收機制在接收模塊中對幀進行處理，再將幀發(fā)送到MAC子層中。在發(fā)送和接收時支持全雙工的工作模式，同時能夠進行錯誤和故障處理、鏈路故障處理。根據(jù)對CGMII功能的定義，將整個CGMII劃分為圖2所示的結(jié)構(gòu)框圖，主要模塊有：發(fā)送數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊、接收數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊、并行通道比率（8：10）轉(zhuǎn)換模塊、并行通道比率（10：8）轉(zhuǎn)換模塊[7][8]。

圖2 CGMII結(jié)構(gòu)框圖

2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊

2.2.1 發(fā)送時序

TX_CLK是由PHY提供的參考時鐘，用于同步TXD<63：0>和TXC<7：0>以進行數(shù)據(jù)發(fā)送和狀態(tài)

控制。TXC<7：0>信號表示CGMII中傳送的是數(shù)據(jù)或者控制字符，當(dāng)一個數(shù)據(jù)字節(jié)正在傳送，則相應(yīng)通道上的TXC信號為低電平；當(dāng)控制字符正在傳送，則相應(yīng)通道上的TXC信號為高電平。當(dāng)傳送前導(dǎo)碼的每個字節(jié)（除了第一個字節(jié)被開始控制字符所替換）時，TXC信號為低電平。發(fā)送時序圖如圖3所示。

圖3 發(fā)送時序圖

2.2.2 發(fā)送狀態(tài)機

CGMII_DATA：傳送數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)從MAC傳入的DataValidBytes信號都為0時，表明無有效數(shù)據(jù)需要傳送，狀態(tài)機進入IDLE狀態(tài)。根據(jù)每個CGMII的DataValidBytes信號，在幀傳輸結(jié)束后一個通道添加一個終止控制字符，其余的通道上傳輸空閑控制字符。本設(shè)計中有10個CGMII，在DATA狀態(tài)中會根據(jù)所有CGMII的DataValid信號來進行數(shù)據(jù)處理。

CGMII_IDLE：空閑狀態(tài)。當(dāng)RS檢測到RemoteFault時，狀態(tài)機仍保持IDLE狀態(tài)，直到不再檢測到RemoteFault信號。當(dāng)開始傳輸來自MAC層的幀，狀態(tài)機進入DATA狀態(tài)。

2.3 接收數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊

2.3.1 接收時序

RX_CLK是由PHY提供的一個連續(xù)的時鐘信號，用于同步RXD<63：0>和RXC<7：0>信號。RXC<7：0>表明PHY正在向CGMII傳送的是恢復(fù)或解碼后的數(shù)據(jù)或者控制字符。RXC<7：0>為低電平表明接收的為數(shù)據(jù)，高電平表明為控制字符，同TXC<7：0>信號相同。接收時序類似于發(fā)送時序。

2.3.2 接收狀態(tài)機

CGMII_DATA：接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。在DATA狀態(tài)檢測每個字節(jié)是否為錯誤控制字符（Errorcontrolcharacters），并通過RXC控制信號來決定Eop信號的變化。當(dāng)某一個CGMII的Eop信號為高，則剩余的CGMII無有效數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)10個CGMII都沒有有效數(shù)據(jù)傳輸，則狀態(tài)機進入IDLE狀態(tài)。

CGMII_IDLE：空閑狀態(tài)。當(dāng)PCS模塊輸入信號表明alignment功能完成，并檢測到第一個CGMII的第一個通道（通道0）的控制信號為1，數(shù)據(jù)信號為開始控制字符，則狀態(tài)機進入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。如果不滿足以下條件，則狀態(tài)機繼續(xù)保持IDLE狀態(tài)。

2.3.3 鏈路故障處理

鏈路故障信號在本地RS和遠程RS之間產(chǎn)生，鏈路故障信號由本地RS檢測到，則稱之為本地故障（LocalFault）。PHY能夠檢測到呈現(xiàn)不可靠的通信鏈路的故障。當(dāng)PHY子層顯示在數(shù)據(jù)通路上檢測到LocalFault并發(fā)送到RS子層，RS會停止發(fā)送MAC數(shù)據(jù)，然后在發(fā)送數(shù)據(jù)通路產(chǎn)生遠程故障（RemoteFault）狀態(tài)。當(dāng)這個遠程故障狀態(tài)被遠程RS檢測到，遠程RS停止發(fā)送MAC數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生空閑控制字符（Idlecontrolcharacters）。當(dāng)RS不再接收到錯誤狀態(tài)信息，就會變回正常操作，開始繼續(xù)發(fā)送MAC數(shù)據(jù)[9]。該狀態(tài)由八個字節(jié)的有序集表示，如表2所示。

表2 故障序列有序集

通道0 通道1 通道2 通道3 通道4 通道5 通道6 通道7 描述

序列字符 0x00 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 本地故障

序列字符 0x00 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00 0x00 遠程故障

鏈路故障狀態(tài)機分為四個狀態(tài)，分別為：

INIT狀態(tài)：當(dāng)128列中不包含RemoteFault和LocalFault有序集，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到INIT狀態(tài)。當(dāng)檢測到錯誤序列（fault_sequence），狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到COUNT狀態(tài)。

COUNT狀態(tài)：當(dāng)檢測到不足三個相同類型的錯誤序列，狀態(tài)機仍保持COUNT狀態(tài)。當(dāng)檢測到三個以上相同類型錯誤序列，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到FAULT狀態(tài)。若檢測到不同類型的錯誤序列，則跳轉(zhuǎn)到NEW_FAULT_TYPE狀態(tài)。

FAULT狀態(tài)：繼續(xù)接收到相同類型，狀態(tài)機繼續(xù)保持在FAULT狀態(tài)。若檢測到不同類型的錯誤序列，則跳轉(zhuǎn)到NEW_FAULT_TYPE狀態(tài)。

NEW_FAULT_TYPE狀態(tài)：將序列計數(shù)值重置為0，然后使?fàn)顟B(tài)機跳轉(zhuǎn)到COUNT狀態(tài)。

鏈路故障狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)圖如圖4所示。

圖4 鏈路故障狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)流程圖

2.4 并行通道轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計中MAC發(fā)送和接收數(shù)據(jù)采用512bits位寬，PHY采用640bits位寬，所以需要異步FIFO來進行并行通道比率轉(zhuǎn)換。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)采用相同結(jié)構(gòu)的FIFO。以發(fā)送數(shù)據(jù)方向做分析，8個64bits通道轉(zhuǎn)換成10個64bits通道，需要發(fā)送端頻率較快。MAC子層一個周期內(nèi)最多傳輸512bits數(shù)據(jù)，兩個周期后異步FIFO中存有1024bits數(shù)據(jù)；當(dāng)FIFO檢測到有大且等于640bits的數(shù)據(jù)，則進行數(shù)據(jù)讀取。而FIFO中剩余數(shù)據(jù)等到FIFO中數(shù)據(jù)大且等于640bits的數(shù)據(jù)，再進行讀取。通過設(shè)計和計算，本設(shè)計中需要深度為72、寬度為64bits的異步FIFO，即可滿足設(shè)計需求。

3 仿真結(jié)果和波形分析

通過UVM驗證平臺仿真結(jié)果如圖5所示。當(dāng)CGMII的控制信號為ff時，通道開始發(fā)送空閑控制字符?？刂菩盘枮?時，通道正常發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測到本地故障時，CGMII發(fā)送遠程故障有序集；當(dāng)檢測到遠程故障時，CGMII給MAC發(fā)送IDLE數(shù)據(jù)。

圖5 仿真時序圖

4 總結(jié)

本設(shè)計雖然實現(xiàn)了MII操作的基本功能，但是還有一些不足和可以進一步研究的地方.主要包括：（1）一些功能的處理過于復(fù)雜，延緩了整體的工作頻率，未能達到100Gb/s的要求。（2）MDIO管理接口。

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[作者簡介]董乾（1982-），男，江蘇泰州人，工程師，碩士，研究方向：數(shù)字集成電路設(shè)計；劉勇（1979-），男，江蘇沛縣人，工程師，碩士，研究方向：集成電路設(shè)計與制造；趙賽（1990-），女，東南大學(xué)集成電路學(xué)院碩士研究生，研究方向：VLSI設(shè)計。