硬件设计

引脚

  笔者前代数字采集板采用的 PHY 芯片是博通 Boardcom 的 B50610，其仅支持 $0\sim 70^{\circ }C$ 的工作温度，不符合预期的工作环境温度范围，且没有可直接替换的低温版本。因此在新一版采集板设计中须更换 PHY 芯片，拟采用瑞昱 Realtek 的 RTL8211FS，其工业版本 FSI 版本的可支持 $-40^{\circ }C$ 的低温工作环境。首先做一个小的测试板，验证其电路及功能是否可行，本文即对此进行一个工作记录。

  RTL8211FSI 的接口如下图

• RGMII 接口

  • TX：TXC (I)，TXD3:0 (I)，TXCTL (I)；
  • RX：RXC (O)，RXD3:0 (O)，RXCTL (O)；
  • RXDLY，RX Delay，上拉（接 $4.9k\Omega$ 到 DVDD_RG）时，在 RXC 到 RXD 增加 2ns 的延迟；下拉时接 $4.9k\Omega$ 到 GND；
  • TXDLY 没有引脚进行配置，但可以通过 Page 0xd08, Reg17, Bit[8] 进行设置。

• SMI 接口

  • MDC (I)
  • MDIO (IO)，引脚接 $1.5k\Omega$ 上拉

• SerDes 接口 （不使用，设计中直接悬空即可）

  • HSIP，HSIN，HSOP，HSON，HSOP_CLK，HSON_CLK

• MDI 接口 （不多介绍，连接 RJ45 水晶头）

  • MDIP/MDIN[3:0] (IO)

• CLK

  • XTAL_IN，I，25M 时钟输入，若有外部时钟驱动 XTAL_OUT/EXT_CLK 脚，则本引脚应接地；
  • XTAL_OUT/EXT_CLK，O，25M 时钟输出；若使用外部时钟，本引脚接晶振输出端；
  • CLKOUT，O，芯片内部 PLL 产生的时钟，若此时钟未被使用，应浮空；在 1000BASE 和 100BASE 时输出 125M/25M，用以支持同步以太网（作为主机，由内部 PLL 输出，作为从机，从 MDI 恢复出时钟），可通过 PHYCR2 （Page 0xa43, Addr 0x19）寄存器进行配置；
  • PTP_CLK，对于 RTL8211FS(I)-VS 版本，33 脚为 PTP_CLK/PTP_GPIO0，PTP_CLK 为外部参考时钟，PTP 为精确时间协议 Precision Time Protocol，不使用应浮空；RTL8211FS(I) 版本下 33 脚则为 NC，浮空。

• Hard Reset

  PHYRSTB，即 Reset_n 引脚，硬复位，复位至少要保持 10ms 低电平。

• PHYADDR

  PHYAD[2:0]，上电/硬复位后检测其引脚电平，决定 PHYADDR 的地址。

• PWR

  • AVDD33，模拟 3.3V 供电；
  • AVDD10，模拟 1.0V 供电；
  • DVDD10，数字核心 1.0V 供电；
  • DVDD33，数字（非 RGMII IO）的 3.3V 供电；
  • DVDD_RG，RGMII IO 电平，注意和 CFG_LDO[1:0] 的设置相匹配；注意，当 CFG_LDO[1:0]=00 时，IO Pad 由连接到 DVDD_RG 的 3.3V 供电，其他情况下则由内部 LDO 供电；
  • VDD_REG，内部调节器的 3.3V 供电；
  • REG_OUT，内部调节器的 1.0V 输出，由于实际是个 DCDC 开关电源，因此要串接 $2.2\mu H$ 电感；应仅供应 AVDD10 和 DVDD10；
  • RSET，接 $2.49k\Omega (1\%)$ 到 GND。

• CFG 端口

  • CFG_LDO[1:0]，设置 RGMII IO 的电平，00: 3.3V，01: 2.5V，10: 1.8V，11: 1.5V；
  • CFG_MODE[2:0]，设置操作模式（网线类型 <-> 协议类型），000 对应 UTP <-> RGMII。

• INTB/PMEB/GPIO1

  该引脚的功能可以配置为中断 INTB 或电源管理 PMEB 功能，RTL8211FS(I)-VS 版本下，则还可作为 PTP_GPIO1；作为 PMEB 功能时，应接 $4.7k\Omega$ 到 3.3V；不使用时应浮空。

• LED

  LED[2:0] 默认分别表示 1000BASE、100BASE、10BASE，通过寄存器配置的介绍见后文

  

  不过注意下 LED2、LED1 引脚的极性，LED2 应当采用共阴接法，LED1 则采用共阳接法。

功能框图

说明

PHYADDR

  PHYADDR[4:3]='b00，PHYADDR[2:0]=PHYAD[2:0]，由上电时 PHYAD[2:0] 引脚的上下拉状态决定，拥有 0x00 到 0x07 共 8 个可用地址。

  注意，RTL8211FS 默认将地址 0x00 视为广播地址，所有 RTL8211FS 都会响应，可通过配置 PHYCR1 (Page 0xa43, Reg24 (0x18), Bit13 = 0) 来禁用广播功能。 如 PHYAD[2:0]='b000，RTL8211FS 默认会自动记住第一个非零地址，可以通过配置 PHYCR1, Bit6 = 1 来启用该功能。

  因此，在设计中最好避开 0x00 这个地址，免去不必要的麻烦。

Page

  RTL8211FS 寄存器较多，因此除 RegAddr 外，还有不同的 Page。一个确切的寄存器声明如下：PAGE 0x0XXX, REG 0xXX, BIT[M:N]。

  Page 可通过对 PAGSR（Page 0xa43, Reg 31 (0x1F), bit[11:0]） 寄存器进行配置。配置 Reg 31 值为 0x0000 或 0x0a42 将切换回 IEEE 标准寄存器。（略有疑问，PAGSR 寄存器应该是在 Page Any, Reg 31 都可以访问，而不仅在 Page 0xa43；后经过上板验证发现确实如此）

LED 模式

  控制 LED 的官方参考设计如下（左，共阳接法；右，共阴接法）

  RTL8211FS 的 LED 控制没有太花哨的功能，基本就是每个 LED 管脚对应一个速度。LCR (Page 0xD04, Reg 0x10) 寄存器用于配置 LED 的工作模式，以 LED2 管脚的默认值为例，LED2_ACT、LED2_LINK_1000 为 1，因此在连接 1000BASE 时，LED2 会亮起，当处于 1000BASE 活动状态时，则 LED2 闪烁。（这个默认配置就挺好用的，不需要再另行配置了，将 LED2/LED1 管脚接到 RJ45 的两个灯就可以了；注意极性）

自动协商/速度/全半双工模式

  BMCR (Page 0x0, Reg 0), Bit 12 为自动协商使能，默认为 1 （on）。

  当关闭自动协商时，BMCR Bit 6、Bit 13 决定本 PHY 芯片工作在何种速度，{Bit6, Bit13} = 10: 1000BASE，01: 100BASE，00: 10BASE。BMCR Bit 8 决定全双工/半双工模式，仅在关闭自动协商时起作用。

  PHYSR (Page 0xa43, Reg 0x1A) 寄存器可以查看连接状态，Bit 2 指示是否连接，Bit5:4 指示速度，Bit 3 指示全半双工模式。

Soft Reset

  Page 0x0, Reg 0, Bit 15 设为 1 将触发软复位，复位后自动清零。

上电顺序

  RTL8211FS 上电顺序如图

3.3V 供电的上升时间应大于 0.5ms，否则可能永久损坏内部电压调节器。

原理图设计参考

软件控制（FPGA）

  （暂略）

硬件调试

  打板回来后进行了测试，然而发现只能自动协商到 100BASE，进一步测试发现，十兆和百兆均可以正常建立连接，而千兆会协商失败，从而自动降速到了百兆。进一步通过 MDIO 关闭自协商，并强制规定到千兆，电脑就无法识别到这个设备了，读取 PHYSR （Page 0xa43，Reg 0x1A）寄存器，也发现 bit2=0 （Link not OK）。测量 3.3V 供电、 1.0V 核压以及 25M 晶振输出，均正常，其中 1.0V 输出有 70mV 纹波。

（咳，本菜鸟画的第一块 PCB，各种修正方案都尝试了一遍，但还是无法解决千兆连接的问题，是否有大佬可以指点一二，万分感激）