STM系列（4）--STM32以太网电路设计注意事项

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一.前言
项目竞标：GE PHY芯片设计
STM32Fxx7 系列（互联型产品）中内置了 MAC，配合外置的 PHY 可以实现以太网通讯。这篇文档将介绍以太网接口的信号定义，重点介绍时钟电路的设计，并给出在实践中已成功应用的设计方案，希望可以对需要进行以太网电路设计的朋友提供 帮助。

二．以太网接口

STM32 的以太网支持 10M/100M bits 的全双工和半双工的工作方式，其中的 MAC 通过 MII 接口或者 RMII 接口与 PHY 通讯。

1. MII
MII 接口标准定义了 16 跟信号线，根据功能将其可以分为 3 组（发送，接收，载波侦听 和冲突监测），另外还 有用于对 PHY 进行配置的 SMI 接口。

发送
        ·TX_CLK：MII 接口需要 25MHz 的时钟（100Mbits 传输速率时），当以 10Mbits 的速率工作，PHY 内部的电路会对
          25MHz 的信号进行十分频以得到 2.5MHz 的时钟。
        ·TXD[3 :0] : 根据时钟速率，不难算出 TXD 需要 4 根数据线。数据线需要与时钟保持同步。
        ·TX_EN : 发送使能信号，也需要与时钟保持同步。
        ·TX_ER : 发送错误指示信号，MAC 通过此信号向 PHY 表示数据无效。需要注意的是在许多 PHY 和 MAC 中，这个 信号是没有的（STM32 就没有这个信号，图中用虚线表示），由于在另一端的接 收信号中包含 RX_ER，因此这个 信号是不必要的。

接收
·RX_CLK： 接收时钟与发送时钟完全类似。
·RXD[3 :0]： 与发送数据线完全类似。
·RX_ER：接收错误指示信号，PHY 通过此信号向 MAC 层表示在某一帧数据中发现问题。需要与RX_DV 一起使用。
·RX_DV：与 RX_ER 一起进行出错分析。

载波侦听和冲突监测
CRS，COL：这两根信号线在半双工工作方式下提供载波侦听和冲突监测功能，全双工下无用。

SMI 接口
MDC，MDIO：对 PHY 进行配置的接口。可以通过 GPIO 口进行模拟。

2. RMII

RMII 接口可以简单的理解为（Reduce-MII）接口，即减少了 MII 接口中信号线的数量。基本原理是通 过提高时钟速率来完成的（RMII 的时钟为 50MHz），因此发送/接收数据线都只需要两根，并合并了一定功能引脚。
CRS_DV：此信号是 MII 接口中 CRS 和 RX_DV 的复合信号。
  
三. 时钟电路设计

仔细观察图 1 和图 2，细心的读者会发现两者在时钟电路上有着明显的区别。在 MII 接口电路中，时钟由 PHY 向 MAC 提供
（时钟源由通讯的一方来提供）；在 RMII 接口电路中，MAC 和 PHY 共同使用来 自外部的时钟信号（数据的发送方和接收 方采用同一个时钟源）。

由于 MAC 和 PHY 的通讯速率相对较快，为保证硬件电路的可靠性，在设计中应该通过器件的数据手册了解相关参数以确定 具体的电路方式。一般需要注意的有：

·上升时间/下降时间 t_rise/t_fall : STM32 的 GPIO 口可以进行摆率的设置，不同摆率下上升时间和下降时间是不同的。 尤为需要注意的是，当使用 MCO（Main Clock Output 需要了解此功能的读者 请阅读参考手册）对多个 PHY 提供 时钟，需考虑负载的增加，对输出能力的要求的影响。

·时钟抖动（短周期）jitter(short term)：特别需要注意的是此项参数，不同的 PHY 对此项参数的有不同的要求，一般 多要求 jitter 小于几十个 ps，有些 PHY 的则要求 jitter 小于几百个 ps。STM32 的 MCO 直接输出 HSE 的时钟抖动 一般在 30~40ps，但若使用 PLL 对 HSE 倍频后，再由 MCO 输出 会带来几百个 ps 的时钟抖动。

下面将分别介绍目前在实践中应用最为广泛的两种接口电路。
  
1.MII 接口设计

图 3 MII 接口设计实例

如图 3 所示，此系统是典型的 MII 接口电路设计，PHY 所需的时钟由 STM32 的 MCO 管脚输出（直接输出 HSE 的信号，没 有经过 PLL 处理）。需保证 MCO 输出的时钟满足 PHY 的要求。

2.RMII 时钟电路

图 4 RMII 接口设计实例

如图 4 所示，此系统是典型的 RMII 接口电路设计，MAC 和 PHY 所需的时钟由外部的有源晶振（50MHz）提供，需保证OSC 输出的时钟满足 MAC 和 PHY 的要求。

四. 结语

尽管本文讨论的是以太网电路的设计要点，事实上，在数字电路接口的设计中，了解信号链走向和器件的参数要求都是必要 的，也只要如此，才可以保证数字电路接口的硬件可靠性。


文章来源：微信公众号   融创芯城（一站式电子元器件、PCB、PCBA购买服务平台，项目众包平台，方案共享平台）