QSGMII协议详解.ppt

1000Base-X,PCSRelationship,FunctionBlock,8B/10B的引入,8B/10B编码是目前高速串行通信中经常用到的一种编码方式。直观的理解就是把8bit数据编码成10bit来传输，引入这种机制的目的是保证信号的DC平衡。当高速串行流的逻辑1或逻辑0有多个位没有产生变化时，信号的转换就会因为电压位阶的关系而造成信号错误。8B/10B编码避免了5个连续的“0”或者“1”出现。并且还可以使接收端从数据中有效地提取时钟。,编码原理,8bit原始数据会分成两部分，其低5位会进行5B/6B编码，高3位则进行3B/4B编码，这两种映射关系有一个标准化的表格。对于8bit信号作为一个数据群码时用Dx.y表示，作为特殊群码时用Kx.y表示，其中x是EDCBA的十进制值，y是HGF的十进制值。例如，一个8bit数据码11011101表示为D29.6。,5B/6B编码表,3B/4B编码表,RunningDisparity,表中的RD标志，代表编码极性。它的目的就是保持8B/10B编码中的直流平衡。RD=+1表示1比0多，RD=-1表示0比1多。RD=-1是上电初始化状态。每进行一次编码后，都要计算出当前编码的RD值，用于下一个编码。,RunningDisparity,举例说明：假设要传输D4.0和D21.4该如何编码？根据当前区块的“0”“1”个数计算出的RD作为下一个区块的RD参照值。起始RD默认为-1。所以传输的编码可以表示为-D4.0-D21.4+,-1,110101,+1,0100,-1,101010,-1,1101,+1,RD翻转,RD的翻转规则：1.零偏差(“0”和“1”的个数相等)的区块前后保持RD极性，非零偏差的区块翻转其RD极性。2.如果在RD=-1后接收到“0”比“1”多，或者在RD=+1后接收到“1”比“0”多，说明接收到错误群码。3.无论是否接收到错误群码，RD仍继续计算下去。非零偏差的区块能避免错误的蔓延。,RD计算错误侦测举例,传送群码,传送比特流,接收比特流,接收群码,-D21.1D10.2D23.5+,-101010-1001-010101-0101-111010+1010+,-101010-1011a+010101+0101+111010+b1010+c,-D21.0+D10.2+错误群码d+,a.位元发生错误：1001=1011。b.非零偏差的区块应翻转其RD极性。c.无论接收群码是否正确，RD继续计算；非零偏差的区块避免了错误的蔓延。d.错误群码不一定代表当前群码传送错误。,逗号码,7比特逗号码定义为0011111(comma+)以及1100000(comma-)。在数据群码中保证了不会有连续5比特的0或1出现，因此逗号码能作为唯一被识别为数据对齐的信号。包含逗号码的特殊群码为/K28.1/，/K28.5/，/k28.7/。/K28.7/用作于误码率和时钟的测试(连续的/K28.7/组合为00000111110000011111.)/K28.5/用在有序集/C/及/I/中。/K28.1/在802.3中暂未提及使用。,有序集的概念,802.3中定义了8种有序集(order_set)，它们由单一的特殊群码或者由一个特殊群码与数据群码的组合构成。包含/K28.5/的有序集支持数据对齐和时钟恢复。有序集可以理解为物理链路上的一些控制协议。,有序集,有序集/C/,有序集/C/是用作自协商寄存器配置的标识码，在有序集后的16比特数即为寄存器值。有序集/C/分为/C1/和/C2/；/C1/定义为/K28.5/D21.5/，/C2/定义为/K28.5/D2.2/。/C1/的前后极性翻转，/C2/的前后极性保持。,有序集/C/,对于确定的一个R，无论起始的RD正负，初始发送C1，然后与C2交替发送。假设用/C?/R1/R2/来表达自协商时传输的四个字节，/R1/代表Config_Reg7:0，R2/代表Config_Reg15:8，那么发送方式为/C1/R1/R2/C2/R1/R2/C1/C2/交替发送/C1/,/C2/可以使2个comma+和2个comma-连续交替发送。,有序集/C/,/R1/R2/前后的极性所有可能为：如果起始极性为-，-R1-R2+=-R+；-R1-R2-=-R-；-R1+R2+=-R+；-R1+R2-=-R-；如果起始极性为+，+R1-R2+=+R+；+R1-R2-=+R-；+R1+R2+=+R+；+R1+R2-=+R-；,有序集/C/,则连续发送时，当：起始为+，R极性翻转：.+C1-R+C2+R-C1+R-C2-R+C1-.；起始为+，R极性保持：.+C1-R-C2-R-C1+R+C2+R+C1-.；起始为-，R极性翻转：.-C1+R-C2-R+C1-R+C2+R-C1+.；起始为-，R极性保持：.-C1+R+C2+R+C1-R-C2-R-C1+.；,自协商寄存器,FD：全双工指示，如果设置为1，则该设备支持全双工模式；HD：半双工指示，如果设置为1，则该设备支持半双工模式；PS1，PS2：流量控制指示，不同组合有不同的含义，如下：00：不支持流量控制；01：针对链路对端的不对称流量控制；10：对称流量控制；11：针对本地设备的不对称流量控制。RF1，RF2：远程错误位，指出远程设备的一些错误发送；00：设备正常(默认)；01：本地设备离线；10：链路故障；11：自协商错误。ACK：确认指示。如果一台设备成功接收到了对端的基页，则发送自己基页的时候，将ACK设置为1；NP：下一页指示。如果把该位设置为1，则隐含说明该设备还要发送除基页外的其他页面，这些其他页面用来协商或配置其他功能。,LSB,MSB,D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15,自协商过程,有序集/I/,当GMII上没有数据传输的时候，链路也不能空闲，而是传输一些不代表任何实际意义的比特位，这样可以保持两端时钟的同步，并使链路保持在激活状态。组成这些空闲比特位的为有序集/I/，链路两端的设备在接收到/I/后，仅仅忽略，但如果一段时间内没有接收到数据，同时接收不到/I/有序集，则认为链路故障。,有序集/I/,/I/分为/I1/和/I2/，/I1/定义为/K28.5/D5.6/，/I2/定义为/K28.5/D16.2/。/I1/的前后极性相反；/I2/的前后极性一致。在数据码或者有序集后如果RD为+，则使用/I1/用来恢复RD至-的状态，随后发送持续的/I2/用来保证RD-。保证RD-是为了/K28.5/能包含comma+。如果在接收到一个由两群码组成的有序集，第一个群码为/K28.5/,第二个群码为除/D21.5/和/D2.2/以外的数据群码，则这个有序集被认为是一个/I/。,有序集/R/,有序集/R/称为载波扩展，定义为/K23.7/。/R/的第一个功能：Carrierextension千兆以太网最小帧长度为64B，那么在半双工工作模式下，大于200米的链路上一个短帧的传输时间远小于冲突窗口(传输长度为512B帧所需的时间)，不能进行正常的CSMA/CD。所以对于小于512B的帧信号，需要使用/R/填充至512B。如图所示，如果没有载波扩展，发送一个64B的短帧，则在A检测到碰撞的时刻，该帧早已全部发完，那么该CSMA/CD失败。相反，发送512B帧，在检测到碰撞时该帧还没有发完，那么延迟一个随机时间重发。,有序集/R/,/R/的第二个功能：Packetseperation半双工模式下使用载波扩展造成了额外的开销，影响传输效率。为了改善传输效率，千兆以太网在MAC子层定义了帧突发模式(burst)。帧突发机制如下：发送端允许连续发送一些帧，第一个帧按CSMA/CD规则发送，即如果第一帧不够512B使用/R/填充至512B，第一帧发送成功后，该链路不会再遇到冲突，后续发送短帧也不必进行填充。但是为了连续占有信道，后续帧之间的IPG使用/R/填充，一次帧突发的最大长度限制为8192B。,有序集/R/,/R/的第三个功能：/I/偶数对齐后文结合/T/详细说明。,有序集/R/,/R/的产生：TX_EN低电平，TX_ER高电平,PermissibleencodingsofTXD,TX_EN,andTX_ER,如果在发送载波扩展时，需要请求物理层进行中断，则发送载波扩展错误。由TX_EN=0，TX_ER=1，TXD=1F表达，PCS层编码为/V/。,有序集/S/,/T/,包起始定界符用来描述数据序列传输的起始边界，由有序集/S/构成。有序集/S/定义为/K27.7/。包截止定界符用来描述数据序列传输的终止边界，由有序集/T/R/I/构成。有序集/T/定义为/K29.7/。如果/T/出现在奇数位置上，则需填充一个/R/构成/T/R/R/I/，保证/I/能够偶数对齐。,/T/与/I/的奇偶关系-1,我们知道，/I/是由/K28.5/和/D/两个字节组成，标准中规定/I/的/K28.5/必须在偶数位置上，/D/在奇数位置上。如果/T/出现在偶数位置上(该帧从/S/到/T/包含的字节数为偶数)，那么插入一字节的/R/便能保证/I/的/K28.5/在偶数位置上，称为/I/偶数对齐。,/T/与/I/的奇偶关系-2,如果/T/出现在奇数位置上(该帧从/S/到/T/包含的字节数为奇数)，那么插入两字节的/R/R/便能保证/I/偶数对齐。,/S/与/I/的奇偶关系-1,虽然根据/T/的位置插入相应的/R/就能保证/I/偶数对齐，但是不能保证TX_EN有效时刻的位置，那么当TX_EN出现在偶数位置上时，/S/紧接着/I2/插入，并且替换掉前导的第一个字节。,/S/与/I/的奇偶关系-1,在接收方向，/S/解码时还原为前导的第一个字节。,/S/与/I/的奇偶关系-2,当TX_EN出现在奇数位置上时，/S/紧接着/I2/插入，由/I2/的/D16.2/替换掉前导的第一个字节，/S/替换掉前导的第二个字节。,/S/与/I/的奇偶关系-2,在接收方向解码时，/D16.2/并没有被还原为前导的第一字节，而是完成/I2/的组合。/S/被还原为前导的一个字节。所以造成了前导的一个字节丢失。,有序集/V/,当MAC层检测到信号数据流中的错误，便会驱动TX_ER，使PCS层产生错误传递的指示，通过有序集/V/来表示。有序集/V/定义为/K30.7/。在PCS层产生/V/必须保持TX_EN有效。,接收方向时序,如果在接收方向存在编码错误，PHY需通过RX_ER信号向RS层告知，RX_ER与RX_DV组合表明的含义与TX方向类似。如果载波扩展发生编码错误，则在该处插入/V/，解码时RXD置为1F。,PermissibleencodingofRXD,RX_ER,andRX_DV,载波错误指示,如果在接收到第一个数据群码的前面既不是/S/也不是/K28.5/，那么就认为该处发生载波错误，并插入/V/，解码时RXD置为0E。,自协商状态机,第二部分,SGMII,不同与1000Base-X，SGMII和QSGMII都是芯片间接口；SGMII是Cisco开发的利用单laneserdes，通常在PHY和MAC间传输三速(10/100/1000)以太网，支持单工和双工自协商，同1000Base-X的自协商区别如下：,SGMII,同1000Base-X一样，mac/phy之间编码为8B/10B；不同的是1000Base-X8B/10B编码后直接通过光信号传输了，而SGMII只在板上芯片间；PHY的通常是RJ-45接口，实现10BaseT，100BaseT，或者1000BaseT。所以SGMII会有传统双绞线以太网载波监听冲突检测相关的信号CarrierSense(CRS),andcollision(COL),SGMII,SGMII,SGMII,类似于快速以太网，SGMII在传输100M时串行线上对相同的数据复制10份，传输10M时串行线上对相同的数据复制100份，这样保证芯片间的串行线上时钟是1.25Gbps,现在SGMII是事实上的行业标准，并广泛使用，CPUPHY交换芯片等之间往往都有SGMII接口；FPGA在实现SGMII时PMA通常有硬核Serdes和LVDS可选择,QSGMII,不同SGMII1.25G线路速率，QSGMII5G线路速率，以字节交织的方式，并行传输4路SGMII，编码方式还是8B/10B。QSGMII在Broadcom的交换芯片和部分PHY上已有实现，但FPGA上目前只有Xilinx有IPCore，Altera只有SGMII和1000Base-X,QSGMII,绿色标注部分是发送方向QSGMII同SGMII/1000Base-X不同的地方；发送时四路字节方式交织编码，0/1/2/3的顺序，其中0路的K28.5的编码改为替换成K28.1，在接收方向使用K28.1来进行第0路起始界定,QSGMII,绿色标注是接收方向与SGMII和1000Base-X不同的地方：disparityENcarrier_detectK2