【硬件調(diào)試】通過磁珠解決RGMII延時(shí)不夠案例

硬件電子工程師

【摘要】
本案例描述了一個(gè)由于CPU和PHY之間RGMII時(shí)序不滿要求導(dǎo)致通信異常問題，最后通過電感材料（磁珠）對信號相位的移位特性來改變信號延時(shí)，從而解決RGMII信號延時(shí)不夠的案例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過。

一、問題描述
某單板上某物理層芯片和CPU之間的接口，采用的是RGMII方式。在該單板調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)物理層芯片發(fā)送給CPU的方向，數(shù)據(jù)一直不通。測量芯片輸出的RGMII信號發(fā)現(xiàn)，芯片已經(jīng)有發(fā)出時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號，但是CPU接收端無法識別，在CPU的RGMII接收寄存器中，接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)一個(gè)為0 。
6 M6 [- m& a8 {, {) M( I5 d經(jīng)實(shí)測信號分析，由于時(shí)序不滿足要求，沒法達(dá)到接收端建立時(shí)間要求導(dǎo)致該問題。如下對該問題進(jìn)行分析和解決。

二、問題分析
在CPU接收端，RGMII的接收時(shí)序如下：
# Y& d. v7 {6 M
) z0 s; [6 T: H& C1 F5 i圖1-1 RGMII接收端時(shí)序要求
從上面的時(shí)序要求看，在接收端，要求RGMII的時(shí)鐘信號邊沿比數(shù)據(jù)信號的邊沿延遲最小1ns，典型的延遲時(shí)間是2ns。延遲2ns的時(shí)候，RGMII的時(shí)鐘邊沿正好在數(shù)據(jù)的中間。
% X" Z. L4 q  u) o/ G# g- S7 l還硬件方案中CPU端RGMII工作電壓為2.5V，在物理層RGMII工作電壓是3.3V。CPU和物理層芯片之間，通過轉(zhuǎn)換芯片74AVC164245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。具體的連接圖如下：
& h( _4 R$ m' Z
+ L* t$ P! H0 ]$ U3 V圖1-2 物理層端的RGMII原理圖
, p5 c. b0 z$ V& ?
圖1-3 RGMII接口中的電平轉(zhuǎn)換原理圖
6 O) m( C2 V! `- R$ P: w
2 m5 W6 X; \2 X9 f, G; t$ B( s圖1-4 CPU端的RGMIII原理圖
- ?( G# g! b! X在CPU接收端，測量接收到的RGMII時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，邊沿是對齊的，建立時(shí)間不夠不符合時(shí)序要求1ns的延時(shí)。在CPU的RGMII控制寄存器中，對時(shí)鐘延遲時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，但依然不能達(dá)到要求。經(jīng)與CPU廠家溝通以及實(shí)測，這個(gè)RGMII控制寄存器能調(diào)整的接收時(shí)鐘延遲，最大只能到600ps。在發(fā)送端芯片內(nèi)，無法對RGMII的發(fā)送時(shí)鐘進(jìn)行延時(shí)設(shè)置。
  P) N" A: e  ]3 C6 O; ~) M. V三、問題解決
. J* ]' `8 Z, U4 `& l( N為了驗(yàn)證該問題，首先做如下驗(yàn)證分析：
（1）為解決這個(gè)問題，考慮到增加走線長度，按照信號在PCB上的傳輸特性，1ns的延時(shí)，PCB內(nèi)層走線的話，要繞5600mil，明顯不現(xiàn)實(shí)。
) f- t% a. z$ C& h1 E' Q; ^/ N（2）電平轉(zhuǎn)換芯片74AVC164245手冊中輸入輸出信號的延時(shí)，在1ns到4ns之間。正好在單板上，74AVC164245芯片有空余的PIN還沒有使用，通過飛線的方式，把RGMII的時(shí)鐘，在轉(zhuǎn)換芯片上，多繞了一次，測試發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可以通了。通過示波器測量信號，發(fā)現(xiàn)此時(shí)時(shí)鐘比數(shù)據(jù)，延遲了大概1.5ns，滿足接收端的RGMII時(shí)序要求。用這個(gè)飛線的方式，做大流量跑流測試，丟包嚴(yán)重，性能不穩(wěn)定。
通過以上驗(yàn)證分析，在不改板前提下兩種方式都無法解決該問題。經(jīng)分析和頭腦風(fēng)暴，考慮到電感對信號的延時(shí)的特性，嘗試使用感性材料來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的延遲。從理論上看，串聯(lián)在鏈路中的電感，可以使交流信號相位延遲90度，這里的RGMII信號，時(shí)鐘是125MHz，延遲90度，正好就是2ns，符合RGMII的接收時(shí)序要求。
把物理層芯片的RGMII輸出端的匹配電阻R26，換為100MHz@220歐的磁珠，測試發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可以正常通訊，在大流量，長時(shí)間的拷機(jī)過程中，未出現(xiàn)丟包的情況。測量磁珠前后的時(shí)鐘波形，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘結(jié)果磁珠后，延時(shí)大概1.6ns。更換100MHz@600歐姆的磁珠，時(shí)鐘延時(shí)2ns，但是，磁珠交流阻值越大，對信號的衰減也越大�？紤]到時(shí)鐘衰減和和延遲的結(jié)合，使用100MHz@180歐的磁珠，測試發(fā)現(xiàn)，時(shí)鐘信號幅度滿足要求，延時(shí)1.5ns，能滿足要求。經(jīng)過大流量測試，無丟包情況，通過實(shí)驗(yàn)。

- C' V- X0 W' u. [四、問題總結(jié)
本案例利用一個(gè)“野路子”解決硬件調(diào)試中常見的問題，該解決思路拓寬了我們思維邊界。同時(shí)也告訴我們當(dāng)遇到問題時(shí)，堅(jiān)持第一性原則，追本溯源到最底層最原始的物理原理去，定能柳暗花明又一村。