GMII、SGMII和SerDes的區(qū)別和聯(lián)系？

GMII和SGMII區(qū)別，上一篇已經(jīng)介紹了，這一篇重點(diǎn)介紹SGMII和SerDes區(qū)別。

GMII和SGMII

SGMII接口

SGMII和SerDes

終于到了今天的豬腳-SerDes，為什么拿SGMII和SerDes進(jìn)行對比，主要原因是，SerDes是一個(gè)串行接口，和SGMII很像，和GMII幾乎沒有什么交集，所以兩者對比就沒有什么實(shí)際意義，所以只進(jìn)行SGMII和SerDes進(jìn)行對比。

由于SerDes在PCIe部分起著非常重要的作用，所以這部分詳細(xì)內(nèi)容會(huì)放到PCI-e部分詳解，這里只是簡單介紹一下：

SerDes，是SERializer（串行器）和DESerializer（解串器）的簡稱，是一種點(diǎn)對點(diǎn)的高速串行通信技術(shù)，串口協(xié)議跟IIC、SPI等總線協(xié)議還是有很大差別的，最大的特點(diǎn)就是點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā)、沒有隨路時(shí)鐘，它的速率是隱含在協(xié)議里的，雙方必須按照約定好的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受才能正確的完成通信，SPI則是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送時(shí)鐘，從機(jī)在這個(gè)時(shí)鐘的上升沿采樣數(shù)據(jù)、下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，最開始人們?yōu)榱颂?a href="http://www.1cnz.cn/tags/高通/" target="_blank">高通信速率的思路有兩條：提高隨路時(shí)鐘頻率、增加數(shù)據(jù)通路位寬，這都很好理解，舉個(gè)栗子就是四線SPI（Qspi），但逐漸地這種思路就遇到瓶頸！

第一、時(shí)鐘頻率的不斷增加，時(shí)鐘抖動(dòng)和偏斜的因素變得更加明顯，也增加了時(shí)鐘質(zhì)量的要求，為了充分利用時(shí)鐘，工程師們還想到了利用下降沿，沒錯(cuò)，就是DDR！第二、數(shù)據(jù)總線的增加意味著管腳數(shù)的增加，這會(huì)引起PCB布局布線的災(zāi)難。人們又開始把思路回到不用時(shí)鐘線的串口協(xié)議上。先看看串口收發(fā)器的偽代碼！

//串口收發(fā)器 SerialTransceiver
module serialTR(
input sys_clk,
input rst_n,
//可配置單雙工,雙工模式
input [1:0] I_rxtx_en, //收發(fā)使能，高有效
output [1:0] O_rxtx_done, //收發(fā)完成脈沖信號(hào)

input RX, //串口總線
output TX,
//數(shù)據(jù)位寬可配置
input [7:0] data2tx, //待發(fā)送數(shù)據(jù)
output [7:0] data2rx //待接收數(shù)據(jù)
);

//串口接收 ---> 串轉(zhuǎn)并
always@()begin
if(!rst_n)
//寄存器復(fù)位
else if(I_rxtx_en[1])
//1、下降沿檢測，獲取起始位
//2、3、4、5、6、7、8、9波特率定時(shí)器，采樣數(shù)據(jù)
//9、10接收校驗(yàn)位和結(jié)束位
//11、12、產(chǎn)生完成脈沖信號(hào)
end
//串口發(fā)送 ---> 并轉(zhuǎn)串
always@(!rst_n)begin
if(!rst_n)
//復(fù)位
else if(I_rxtx_en[0])
//1、構(gòu)建數(shù)據(jù)格式
//2~12 按位發(fā)送
//13、14產(chǎn)生完成脈沖信號(hào)
end

endmodule

這里想說明的是：

1、串口的單雙工和數(shù)據(jù)位寬都是可以配置的，按照自己的需求去設(shè)置；2、串口協(xié)議也是有時(shí)鐘的，只不過這個(gè)時(shí)鐘是隱含在協(xié)議里，除了常見的9600、38400、115200，自己也可以去配置特殊模式的串口，關(guān)鍵是雙方都要遵守相同的協(xié)議，那么SerDes呢？

相同的，SerDes也是收發(fā)兩條線，準(zhǔn)確地說，是兩組，因?yàn)樗遣罘中问?，即tx_p、tx_n，rx_p、rx_n；在數(shù)據(jù)端也是可以配置成不同的數(shù)據(jù)位寬和單雙工模式；

不同的，就是在于SerDes的時(shí)鐘是隱含在數(shù)據(jù)中！這就需要額外的電路去完成數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的“融合”與“解析”，而這正是PCS和PMA的作用，其內(nèi)部采用的編碼技術(shù)和信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)正是為了完美的將時(shí)鐘“融合”進(jìn)串行數(shù)據(jù)（發(fā)送端），再將時(shí)鐘從串行數(shù)據(jù)中“解析出來”（接收端）。

SERDES主要由物理介質(zhì)相關(guān)（ PMD）子層、物理媒介附加（PMA）子層和物理編碼子層（ PCS ）所組成。PMD是負(fù)責(zé)串行信號(hào)傳輸?shù)?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/2364/" target="_blank">電氣塊。PMA負(fù)責(zé)串化/解串化，PCS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的編碼/解碼。在PCS的上面是上層功能。針對FPGA 的SERDES ，PCS提供了ASIC塊和FPGA之間的接口邊界。

Xilinx將這個(gè)SerDes硬核進(jìn)行了封裝，成為GigabitTransceiver，即GT，而它在BANK里的位置和數(shù)量都是固定的，從這個(gè)角度來看這也算是它不靈活的不足所在吧。

接下來就是SGMII和SerDes的區(qū)別

圖1 SGMII的MAC側(cè)和PHY側(cè)

剛看到上圖時(shí)，感覺很奇怪，PCS為什么還存在于MAC中？GMII規(guī)范中PCS只存在于PHY中，見下圖。

圖2 GMII在OSI模型中的位置

實(shí)際上SGMII對應(yīng)的MAC和PHY的劃分是將SGMII接口斷開，一端歸為MAC，一端歸為PHY；同樣，GMII對應(yīng)的MAC和PHY的劃分是將GMII接口斷開，一端歸為MAC，一端歸為PHY。下圖是將圖1整理后的圖。

圖3 整理后的SGMII信號(hào)接收和發(fā)送流程

上圖可以看出，SGMII接口就是使用了SerDes技術(shù)的GMII接口，SerDes上跑的是10b信號(hào)，在接收端，PCS Transmit將GMII的8b信號(hào)編碼為10b信號(hào)，經(jīng)過Serializer串行化后在SerDes高速路上傳輸?shù)絇CS Receive模塊，它將10b信號(hào)解碼為8b信號(hào)送至MAC Receive Rate Adaptation模塊。因此SGMII相對于GMII多了個(gè)S，這個(gè)S就是SerDes技術(shù)，它提供了一個(gè)高速傳輸通道。

在交換芯片中經(jīng)常可以看到1個(gè)Port可以被配置為SGMII/SerDes模式，個(gè)人理解的是SGMII相對于SerDes多了一個(gè)速率協(xié)商（比如上圖中的PHY Receive RateAdaptation模塊），當(dāng)使能了SGMII模式，就是使能了PHY Receive Rate Adaptation模塊，當(dāng)使能了SerDes模式，就是禁用了或者未使用PHY Receive RateAdaptation模塊，這樣猜測的原因是在光模塊或者電模塊選型時(shí)，發(fā)現(xiàn)SerDes接口的光模塊或電模塊總是僅支持1000Mbps速率；而SGMII接口的電模塊總是能支持10/100/1000Mbps速率，但是沒看到能支持這種猜測的文章。

下圖是SerDes的發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)。

圖4 SerDes的發(fā)送和接收結(jié)構(gòu)

SerDes通道傳輸?shù)?0b信號(hào)，因此在SerDes發(fā)送端，需要上圖的PCS實(shí)現(xiàn)8b/10b編碼，之后是串行化以上高速跑道；

在SerDes接收端，需要上圖的PCS實(shí)現(xiàn)10b/8b解碼，之后是解串行化，以下高速跑道。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)交換的1個(gè)Port配置為SerDes模式，它能接光模塊和電模塊，但是速率是不可協(xié)商的，當(dāng)接光模塊，光模塊也僅是進(jìn)行光電或電光的轉(zhuǎn)換，以在光纖中傳輸，并不涉及到PCS等概念；當(dāng)配置為SGMII模式，它只能接電模塊，因?yàn)殡娔K內(nèi)部是有PHY和變壓器的，所以此時(shí)的設(shè)計(jì)模式就是MAC+PHY+變壓器的常規(guī)模式。

總結(jié)一下：

其實(shí)，大多數(shù)MAC芯片的SGMII接口都可以配置成SerDes接口(在物理上完全兼容，只需配置寄存器即可)，

SerDes直接外接光模塊，而不需要PHY層芯片，此時(shí)時(shí)鐘速率仍舊是625MHz，不過此時(shí)跟SGMII接口不同，SGMII接口速率被提高到1.25Gbps是因?yàn)椴迦肓丝刂菩畔?，而SerDes端口速率被提高是因?yàn)檫M(jìn)行了8B/10B變換，本來8B/10B變換是PHY芯片的工作，在SerDes接口中，因?yàn)橥饷娌唤覲HY芯片，此時(shí)8B/10B變換在MAC芯片中完成了。8B/10B變換的主要作用是擾碼，讓信號(hào)中不出現(xiàn)過長的連“0”和連“1”情況，影響時(shí)鐘信息的提取

所以感覺是mac芯片用加2bit控制信息的功能模塊去完成了8B/10B變換，這樣SerDes信號(hào)就可以直接出去了。

SerDes通道和SerDes接口是兩個(gè)概念，SGMII也是需要SerDes通道（SERDES lane）的。

而SGMII需要插入2bit控制信號(hào)變成10b是因?yàn)镾GMII需要控制信來實(shí)現(xiàn)10/100/1000速率協(xié)商，而SerDes是固定速率（1000BASE-x）。

PHY收到mac sgmii的10b后，將控制信號(hào)去除后，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去前還是會(huì)加擾碼完成8B/10B變換。