STM系列（4）--STM32以太網(wǎng)電路設(shè)計注意事項

小融一號

一.前言

項目競標(biāo)：GE PHY芯片設(shè)計

STM32Fxx7 系列（互聯(lián)型產(chǎn)品）中內(nèi)置了 MAC，配合外置的 PHY 可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。這篇文檔將介紹以太網(wǎng)接口的信號定義，重點介紹時鐘電路的設(shè)計，并給出在實踐中已成功應(yīng)用的設(shè)計方案，希望可以對需要進(jìn)行以太網(wǎng)電路設(shè)計的朋友提供 幫助。

二．以太網(wǎng)接口

STM32 的以太網(wǎng)支持 10M/100M bits 的全雙工和半雙工的工作方式，其中的 MAC 通過 MII 接口或者 RMII 接口與 PHY 通訊。

1. MII

MII 接口標(biāo)準(zhǔn)定義了 16 跟信號線，根據(jù)功能將其可以分為 3 組（發(fā)送，接收，載波偵聽 和沖突監(jiān)測），另外還 有用于對 PHY 進(jìn)行配置的 SMI 接口。

發(fā)送

        ·TX_CLK：MII 接口需要 25MHz 的時鐘（100Mbits 傳輸速率時），當(dāng)以 10Mbits 的速率工作，PHY 內(nèi)部的電路會對

          25MHz 的信號進(jìn)行十分頻以得到 2.5MHz 的時鐘。

        ·TXD[3 :0] : 根據(jù)時鐘速率，不難算出 TXD 需要 4 根數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線需要與時鐘保持同步。

        ·TX_EN : 發(fā)送使能信號，也需要與時鐘保持同步。

        ·TX_ER : 發(fā)送錯誤指示信號，MAC 通過此信號向 PHY 表示數(shù)據(jù)無效。需要注意的是在許多 PHY 和 MAC 中，這個 信號是沒有的（STM32 就沒有這個信號，圖中用虛線表示），由于在另一端的接 收信號中包含 RX_ER，因此這個 信號是不必要的。

接收

·RX_CLK： 接收時鐘與發(fā)送時鐘完全類似。

·RXD[3 :0]： 與發(fā)送數(shù)據(jù)線完全類似。

·RX_ER：接收錯誤指示信號，PHY 通過此信號向 MAC 層表示在某一幀數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題。需要與RX_DV 一起使用。

·RX_DV：與 RX_ER 一起進(jìn)行出錯分析。

載波偵聽和沖突監(jiān)測

CRS，COL：這兩根信號線在半雙工工作方式下提供載波偵聽和沖突監(jiān)測功能，全雙工下無用。

SMI 接口

MDC，MDIO：對 PHY 進(jìn)行配置的接口。可以通過 GPIO 口進(jìn)行模擬。

2. RMII

RMII 接口可以簡單的理解為（Reduce-MII）接口，即減少了 MII 接口中信號線的數(shù)量。基本原理是通 過提高時鐘速率來完成的（RMII 的時鐘為 50MHz），因此發(fā)送/接收數(shù)據(jù)線都只需要兩根，并合并了一定功能引腳。

CRS_DV：此信號是 MII 接口中 CRS 和 RX_DV 的復(fù)合信號。

  

三. 時鐘電路設(shè)計

仔細(xì)觀察圖 1 和圖 2，細(xì)心的讀者會發(fā)現(xiàn)兩者在時鐘電路上有著明顯的區(qū)別。在 MII 接口電路中，時鐘由 PHY 向 MAC 提供

（時鐘源由通訊的一方來提供）；在 RMII 接口電路中，MAC 和 PHY 共同使用來 自外部的時鐘信號（數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收 方采用同一個時鐘源）。

由于 MAC 和 PHY 的通訊速率相對較快，為保證硬件電路的可靠性，在設(shè)計中應(yīng)該通過器件的數(shù)據(jù)手冊了解相關(guān)參數(shù)以確定 具體的電路方式。一般需要注意的有：

·上升時間/下降時間 t_rise/t_fall : STM32 的 GPIO 口可以進(jìn)行擺率的設(shè)置，不同擺率下上升時間和下降時間是不同的。 尤為需要注意的是，當(dāng)使用 MCO（Main Clock Output 需要了解此功能的讀者 請閱讀參考手冊）對多個 PHY 提供 時鐘，需考慮負(fù)載的增加，對輸出能力的要求的影響。

·時鐘抖動（短周期）jitter(short term)：特別需要注意的是此項參數(shù)，不同的 PHY 對此項參數(shù)的有不同的要求，一般 多要求 jitter 小于幾十個 ps，有些 PHY 的則要求 jitter 小于幾百個 ps。STM32 的 MCO 直接輸出 HSE 的時鐘抖動 一般在 30~40ps，但若使用 PLL 對 HSE 倍頻后，再由 MCO 輸出 會帶來幾百個 ps 的時鐘抖動。

下面將分別介紹目前在實踐中應(yīng)用最為廣泛的兩種接口電路。

  

1.MII 接口設(shè)計

圖 3 MII 接口設(shè)計實例

如圖 3 所示，此系統(tǒng)是典型的 MII 接口電路設(shè)計，PHY 所需的時鐘由 STM32 的 MCO 管腳輸出（直接輸出 HSE 的信號，沒 有經(jīng)過 PLL 處理）。需保證 MCO 輸出的時鐘滿足 PHY 的要求。

2.RMII 時鐘電路

圖 4 RMII 接口設(shè)計實例

如圖 4 所示，此系統(tǒng)是典型的 RMII 接口電路設(shè)計，MAC 和 PHY 所需的時鐘由外部的有源晶振（50MHz）提供，需保證OSC 輸出的時鐘滿足 MAC 和 PHY 的要求。

四. 結(jié)語

盡管本文討論的是以太網(wǎng)電路的設(shè)計要點，事實上，在數(shù)字電路接口的設(shè)計中，了解信號鏈走向和器件的參數(shù)要求都是必要 的，也只要如此，才可以保證數(shù)字電路接口的硬件可靠性。

文章來源：微信公眾號   融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）