黄景毅

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

随着以太网技术的发展，人们的生活也发生了巨大的变化，从100M 宽带到如今的光纤直接入户。数据在光纤中传输速度比在网线中要快得多，光纤直接入户，离用户距离越近，中间经过转换越少，则数据传输的速度也会更快，所以光电转换是必不可少的环节。本文介绍了一种交换芯片MAC 与PHY 数据通信系统的设计，主要是由交换芯片通过PHY［1］转换出光口。

1 主要接口介绍

1.1 MAC

MAC（Media Access Control），即媒体访问控制子层协议［2］。该协议位于OSI 七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。

1.2 RGMII

RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是Reduced GMII（吉比特介质独立接口）［3］。RGMII 均采用4 位数据接口，工作时钟为125 MHz，并且在上升沿和下降沿同时传输数据，因此传输速率可达1 000 Mb/s。

2 系统的设计及分析

本文设计了一种基于交换芯片MAC 与PHY 数据通信系统。该系统是在通用交换芯片实现基本网口功能的基础上，再扩展出光口，以便能连接光纤，这样普通网口和光纤都能使用。

图1 为数据通信系统的系统连接框图。该系统使用一个交换芯片实现基本100M 网口功能，同时交换芯片的RGMII 口与PHY 相连接进行数据通信，再通过PHY 转出光模块所需的SFP 信号，从而能连接光纤。交换芯片和PHY 芯片由MCU（选用STM32F103 系列芯片）控制，并通过SMI 接口进行配置。

图1 系统框图

SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），包括MDC 和MDIO 两条信号线。MDIO 为管理接口，用来读/写芯片的寄存器，以控制其行为或获取其状态，MDC 为MDIO 提供时钟。

根据交换芯片需要有多路100M 网口和至少有1 路1 000M 网口的需求，选用了BROADCOM 的BCM53242，此芯片为第九代RoboSwitch™基于经过现场验证的BCM5324 器件进行设计。它完全符合IEEE 802.3 和IEEE 802.3x 规范，并包含24 个全双工10BASE-T/100BASE-TX 快速以太网收发器，支持高级电缆诊断功能。此外，BCM53242 还具有两个GMII/RGMII/TBI 接口，可提供灵活的10/100/1000BASE-TX/FX 连接，通过RvMII 或MII 接口包含用于CPU 连接的附加MAC。

PHY 则选用了能转换出SFP 信号的MARVELL 的88E1111［4］。该芯片为千兆以太网［5］PHY 芯片，支持GMII、RGMII、MII 等接口，并能转出SFP 信号，具备4 个GMII 时钟模式，支持自适应功能、超低功耗模式、功率降低模式，MCU 可通过MDC/MDIO 接口对芯片进行配置。

2.1 硬件设计

根据系统框图进行相关硬件设计，STM32F103 对BCM53242 和88E1111 进行管理和配置，BCM53242 与88E1111 通过RGMII 接口进行数据通信，再由88E1111的SFP 数据口连接到光模块，由此实现BCM53242 所连接的网口与外接光纤进行通信。

由于STM32F103 使用3.3 V 供电，而BCM53242和88E1111 使用2.5 V，需要在MDC/MDIO 信号上增加电平转换芯片，电平转换后才能使得芯片的电平匹配。BCM53242 和88E1111 都支持RGMII，所以数据接口只需要接收和发送数据各4 个、随路时钟接收和发送信号各1 个、使能和错误报送信号各1 个。88E1111 的SFP 信号与光模块之间需串接10 nF 电容，以保证与光模块转换出信号的隔离和耦合效果。BCM53242 要求的PHY 地址不能随意使用，如果使用多个PHY 芯片，需地址按0x19H、0x1AH 逐个加1 递增。图2 为88E1111的信号连接图。

图2 88E1111 的信号连接图

2.2 数据通信分析

关于交换芯片与PHY 之间的数据通信，正常情况下只要电路供电正常、连接不出错，配置正确，在最初调试时也按以往调试交换芯片与PHY 通信情况进行，电路板在上电后数据通信没有问题。

在STM32 对BCM53242 配置好后，其所出的百兆网口通信无问题，RGMII 也能通过示波器检测到它们之间有数据通信。但当接上光模块后发现88E1111 的千兆口与交换芯片通信不正常。检查交换芯片的其他接口是能正常通信，因此排除交换芯片故障，PHY 芯片与交换芯片的硬件配置管脚也无问题，交换芯片是没有划分VLAN 的，所有接口都是可以相互连通的[4]。

经过仔细分析和重新对电路板进行查看，发现PHY 的千兆口接收灯有闪烁，说明PHY 已收到信号，但确不能与交换芯片正常通信。之后通过STM32 读取交换芯片和PHY 的MAC 接口接收寄存器，发现交换芯片根本接收不到数据包，而PHY 可以接收到数据包，但数据包都是错的。收发两个方向的情况不一样，对通信数据的信号质量和时序进行测量，交换芯片接收方向上，数据和时钟的上升延是对齐的，黄色为时钟信号，绿色为数据信号，如图3 所示。

图3 交换芯片接收数据和时钟

对PHY 的寄存器重新配置，增加发送给交换芯片数据的时延，如图4 所示（黄色为时钟信号，绿色为数据信号），让数据与时钟错开，交换芯片则可以接收到正确的数据包。

交换芯片发送给PHY 的数据包，均为错误包。测量该发送的数据时序，数据与时钟有错开，按理说应该是没有问题，但查看PHY 芯片资料，芯片对发送的时钟时延要求是大于1 ns，而交换芯片资料显示发送来的时钟的时延是小于0.5 ns，因此满足不了PHY 芯片对时延要求[5]。

图4 增加时延后的交换芯片接收到的时序

经过对PHY 资料进一步查阅，发现可通过对该芯片寄存器RGMII Transmit Timing Control 进行设置来增加发送端时钟与数据的时延，配置寄存器增加时延后，PHY 再也没有收到错误包。

BCM53242 与88E1111 之间的数据通信经过多次分析、测量和查阅相关资料，最终解决了无法进行正常数据通信的问题。

3 结论

通过本文所述基于BCM53242 与88E1111 之间的数据通信系统的设计和实际问题分析，可以看出不同交换芯片和PHY 之间实现数据通信功能时会略有差别，特别是不同芯片之间对时延的要求。只有根据实际功能、芯片时序要求来完成电路的设计和功能的实现，才能满足产品的实际需求。