QSGMII协议详解.ppt

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1、1000Base-X1.8B10B编码原理2.RD运算规则3.有序集详解4.自协商、发送、接收状态机PCS RelationshipFunction Block8B/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

2、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 110 11101 表示为D29.6。5B/6B编码表5B/6B code5B/6B codeinputinputRD=-1RD=-1RD=+1RD=+1inputinputRD=-1RD=-1RD=+1RD=+1EDCBAEDCBAabcdeiabcdeiEDCBAEDCBAabcdeiabcdeiD.00D.00000000000010011110011101100001100

3、0D.16D.161000010000011011011011100100100100D.01D.010000100001011101011101100010100010D.17D.171000110001100011100011D.02D.020001000010101101101101010010010010D.18D.181001010010010011010011D.03D.030001100011110001110001D.19D.191001110011110010110010D.04D.040010000100110101110101001010001010D.20D.20101

4、0010100001011001011D.05D.050010100101101001101001D.21D.211010110101101010101010D.06D.060011000110011001011001D.22D.221011010110011010011010D.07D.070011100111111000111000000111000111D.23+D.23+1011110111111010111010000101000101D.08D.080100001000111001111001000110000110D.24D.241100011000110011110011001

5、100001100D.09D.090100101001100101100101D.25D.251100111001100110100110D.10D.100101001010010101010101D.26D.261101011010010110010110D.11D.110101101011110100110100D.27+D.27+1101111011110110110110001001001001D.12D.120110001100001101001101D.28D.281110011100001110001110D.13D.130110101101101100101100D.29+D.

6、29+1110111101101110101110010001010001D.14D.140111001110011100011100D.30+D.30+1111011110011110011110100001100001D.15D.150111101111010111010111101000101000D.31D.311111111111101011101011010100010100K.28K.2811100111000011110011111100001100003B/4B编码表3B/4B code3B/4B codeinputinputRD=-1RD=-1RD=+1RD=+1input

7、inputRD=-1RD=-1RD=+1RD=+1HGFHGFfghjfghjHGFHGFfghjfghjD.x.0D.x.00000001011101101000100K.x.0K.x.00000001011101101000100D.x.1D.x.100100110011001K.x.1K.x.10010010110011010011001D.x.2D.x.201001001010101K.x.2K.x.20010011010101001010101D.x.3D.x.30110111100110000110011K.x.3K.x.30110111100110000110011D.x.4D.

8、x.41001001101110100100010K.x.4K.x.41001001101110100100010D.x.5D.x.510110110101010K.x.5K.x.51011010101010110101010D.x.6D.x.611011001100110K.x.6K.x.61101101001100101100110D.x.P7D.x.P71111111110111000010001D.x.A7D.x.A71111110111011110001000K.x.7K.x.71111110111011110001000Running Disparity表中的RD标志，代表编码极性

9、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。Running Disparity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+-1110101+10100-1101010-11101+1RD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

10、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-D21.1 D10.2 D23.5 +-101010-1001-010101-0101-111010+1010+-101010-1011a+010101+0101+111010+b 1010+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

11、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

12、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_Reg

13、15:8，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+

14、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：

15、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。RSV RSV RSV RSV RSVFDHDPS1 PS2 RSV RSV RSV RF1 RF2 ACKNP LSB MSBD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15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。

16、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

17、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：Carrier extension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

18、二个功能：Packet seperation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Permiss

19、ible encodings of TXD,TX_EN,and TX_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

20、/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

21、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

22、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。Permissible encoding of RXD,RX_ER,and RX_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(Cisco V1.8 2005)QSGMII(Cisco V1.2 2007)SGMII不同与1000Base-X，S

23、GMII和QSGMII都是芯片间接口；SGMII是 Cisco开发的利用单lane serdes，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-X 8B/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Carrier Sense(CRS),and co

24、llision(COL)SGMIISGMIISGMII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，CPU PHY 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SGMII 1.25G线路速率，QSGMII 5G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，

25、但FPGA上目前只有Xilinx有IP Core，Altera只有SGMII和1000Base-XQSGMII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_detectK28.1 detectQSGMIIQSGMII把C和I Code中的K28.5,替换成K28.1并且只支持I1，不再支持I2QSGMIIdi

26、sparityEN：为了防止极性错误扩散到其他端口QSGMIIcarrier_detect用在802.3 1000Base-X PCS receive state diagram,part a和part b中由于K28.5被替换成K28.1，carrier_detect信号也需要重新生成QSGMII的自协商与SGMII相同，link timer都是1.6msQSGMIIQSGMII的编解码采用8B10B，如果采用10bit总线位宽，则需要500Mhz的时钟，所以在实现上一般采用了125Mhz内部频率，响应的总线变为40bit，即4个8B/10B同时进行，这 要求Comma检查前数据也要以40bit送comma检测后，8b10b解码和极性检查也是以40bit为整体进行操作，4个通道的极性耦合在一起，而不是单个独立，一个端口的极性错，容易扩散到其他相邻端口QSGMII1408项目中，采用64bit/78.125mhz pma，通过异步不等宽fifo转换成40bit/125mhz，之后进40bit 4个并联的8b/10b解码器得到并行的32bit，再对32bit分成4路，分别进4个独立的8b/10b编码器，最后连接我们自己的SGMII 核发送方向与上面过程相反