【硬件调试】通过磁珠解决RGMII延时不够案例

硬件电子工程师

【摘要】
本案例描述了一个由于CPU和PHY之间RGMII时序不满要求导致通信异常问题，最后通过电感材料（磁珠）对信号相位的移位特性来改变信号延时，从而解决RGMII信号延时不够的案例，实验结果通过。

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一、问题描述
某单板上某物理层芯片和CPU之间的接口，采用的是RGMII方式。在该单板调试过程中，发现物理层芯片发送给CPU的方向，数据一直不通。测量芯片输出的RGMII信号发现，芯片已经有发出时钟和数据信号，但是CPU接收端无法识别，在CPU的RGMII接收寄存器中，接收到的数据个数一个为0 。
经实测信号分析，由于时序不满足要求，没法达到接收端建立时间要求导致该问题。如下对该问题进行分析和解决。

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0 J' d* q* _( D4 w二、问题分析
" [. @3 ^( o6 O在CPU接收端，RGMII的接收时序如下：

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! o9 d7 S1 a5 O  x: R/ J图1-1 RGMII接收端时序要求
从上面的时序要求看，在接收端，要求RGMII的时钟信号边沿比数据信号的边沿延迟最小1ns，典型的延迟时间是2ns。延迟2ns的时候，RGMII的时钟边沿正好在数据的中间。
6 F% u# z; Y' G还硬件方案中CPU端RGMII工作电压为2.5V，在物理层RGMII工作电压是3.3V。CPU和物理层芯片之间，通过转换芯片74AVC164245进行电平转换。具体的连接图如下：
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$ e( D9 K  {- y图1-2 物理层端的RGMII原理图

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' n3 |4 Z9 o$ f图1-3 RGMII接口中的电平转换原理图

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图1-4 CPU端的RGMIII原理图
8 s8 M7 K! f+ x- y# M% a+ O$ g在CPU接收端，测量接收到的RGMII时钟和数据，边沿是对齐的，建立时间不够不符合时序要求1ns的延时。在CPU的RGMII控制寄存器中，对时钟延迟时间进行设置，但依然不能达到要求。经与CPU厂家沟通以及实测，这个RGMII控制寄存器能调整的接收时钟延迟，最大只能到600ps。在发送端芯片内，无法对RGMII的发送时钟进行延时设置。
" n4 v9 Y: |/ t; }! B三、问题解决
为了验证该问题，首先做如下验证分析：
（1）为解决这个问题，考虑到增加走线长度，按照信号在PCB上的传输特性，1ns的延时，PCB内层走线的话，要绕5600mil，明显不现实。
( z* }' M  Y7 E! x（2）电平转换芯片74AVC164245手册中输入输出信号的延时，在1ns到4ns之间。正好在单板上，74AVC164245芯片有空余的PIN还没有使用，通过飞线的方式，把RGMII的时钟，在转换芯片上，多绕了一次，测试发现，数据可以通了。通过示波器测量信号，发现此时时钟比数据，延迟了大概1.5ns，满足接收端的RGMII时序要求。用这个飞线的方式，做大流量跑流测试，丢包严重，性能不稳定。
/ b! F0 D3 U- O( G/ W: p: _通过以上验证分析，在不改板前提下两种方式都无法解决该问题。经分析和头脑风暴，考虑到电感对信号的延时的特性，尝试使用感性材料来实现时钟的延迟。从理论上看，串联在链路中的电感，可以使交流信号相位延迟90度，这里的RGMII信号，时钟是125MHz，延迟90度，正好就是2ns，符合RGMII的接收时序要求。
把物理层芯片的RGMII输出端的匹配电阻R26，换为100MHz@220欧的磁珠，测试发现，数据可以正常通讯，在大流量，长时间的拷机过程中，未出现丢包的情况。测量磁珠前后的时钟波形，发现时钟结果磁珠后，延时大概1.6ns。更换100MHz@600欧姆的磁珠，时钟延时2ns，但是，磁珠交流阻值越大，对信号的衰减也越大。考虑到时钟衰减和和延迟的结合，使用100MHz@180欧的磁珠，测试发现，时钟信号幅度满足要求，延时1.5ns，能满足要求。经过大流量测试，无丢包情况，通过实验。
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' F- E3 n8 `: U, M) z  |3 u四、问题总结
% Y* i! e6 m$ {' t本案例利用一个“野路子”解决硬件调试中常见的问题，该解决思路拓宽了我们思维边界。同时也告诉我们当遇到问题时，坚持第一性原则，追本溯源到最底层最原始的物理原理去，定能柳暗花明又一村。