XGMII（10 Gigabit Media Independent Interface）技术参考

XGMII（10 Gigabit Media Independent Interface）技术参考

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XGMII（10 Gigabit Media Independent Interface）技术参考

> 基于 IEEE 802.3-2022 Clause 46，可直接用于学习与硬件设计

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1 接口概述

XGMII 是 10 GbE MAC 与 PHY 之间的并行介质独立接口，单时钟域，全双工固定 10 Gb/s。

• 时钟频率：156.25 MHz（DDR 双边沿采样时 312.5 MT/s） （实际是用户使用时钟要根据手册来，K7和U系列使用时钟会不一样，另外，64位宽需要使用coreclk，而不是使用txuserclk2）
• 数据宽度：32 bit × 2（TXD/RXD） (也可以为64bit的txd)
• 控制宽度：4 bit × 2（TXC/RXC）
• 总信号数：74 根（TX 37 + RX 37）

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2 信号定义（Clause 46.2）

信号	位宽	方向	说明
TXD[31:0]	32	MAC→PHY	发送数据/控制字符
TXC[3:0]	4	MAC→PHY	字节级控制标志
TX_CLK	1	MAC→PHY	156.25 MHz 发送时钟
RXD[31:0]	32	PHY→MAC	接收数据/控制字符
RXC[3:0]	4	PHY→MAC	字节级控制标志
RX_CLK	1	PHY→MAC	156.25 MHz 接收时钟

> 注：XGMII 为单沿采样（SDR），每周期传输 32 bit，因此
> 32 bit × 156.25 MHz = 5 Gb/s → 双边沿同时利用 TX/RX 通道即 10 Gb/s。

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3 字节映射与控制编码

通道	数据位	控制位	备注
Byte 0	TXD[7:0]	TXC[0]	最低有效字节
Byte 1	TXD[15:8]	TXC[1]
Byte 2	TXD[23:16]	TXC[2]
Byte 3	TXD[31:24]	TXC[3]	最高有效字节

• TXC/RXC[i] = 0 → 对应字节为数据字符（Payload）
• TXC/RXC[i] = 1 → 对应字节为控制字符（Control Code）

> 控制字符必须落在 8B/10B 有效控制码表（K 码）或 64B/66B 控制块定义范围内；MAC 层负责插入 /S/ (在第0或者5位byte)、/T/、/I/、/E/ 等 Ordered-Set。

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4 特殊控制场景示例

RXC[3:0]	含义	典型 Ordered-Set
0x0	4 字节均为数据	正常帧内部
0xF	4 字节均为控制	Idle 帧 /I/I/I/I 或 Start+Terminate 组合
0x1	仅 Byte0 控制	/S/ 置于 Lane0，其余为数据

> 接收端通过 RXC 与 RXD 联合判断：
> - 检测到 /S/ → 标记帧起始
> - 检测到 /T/ → 标记帧结束并计算 CRC

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5 与后续接口的关系

• XGXS（XGMII Extender Sublayer, Clause 47）把 74 根并行信号转换为 8B/10B 编码的 XAUI（4 × 3.125 Gb/s）以减少引脚。
• 10GBASE-R/KR 的 PCS 直接采用 64B/66B 码流；XGMII 数据在进入 PCS 前由 MAC 完成 64B/66B 块映射。

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6 硬件设计提示

1. 时钟: TX_CLK/RX_CLK 由 MAC 侧提供，PHY 侧使用源同步采样。
2. 约束: 156.25 MHz 单沿采样，PCB 组内等长 ≤ ±10 mil（约 ±10 ps）。
3. Idle 码: 链路空闲时必须驱动 /I/（0x07 控制字符）并保持 RXC=0xF，否则 PHY 会上报 Loss-of-Sync。
4. 复位顺序: 先释放 MAC，再释放 PHY；保证 XGMII 信号在 PHY 准备好前保持 Idle。

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7 常见误区纠正

误区	正确说明
“XGMII 采用双边沿采样”	单沿采样（SDR），156.25 MHz 即可满足 10 Gb/s（32 bit × 156.25 M = 5 Gb/s，全双工相加 10 Gb/s）。
“RXC=0xF 表示链路异常”	仅表示当前 32 bit 全部为控制字符，正常 Idle 状态即如此，无需告警。
“控制字符可随意定义”	必须符合 802.3 Table 46-4 与 Table 46-5 规定的 K 码或 64B/66B 控制块格式。

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8 参考文献

• IEEE Std 802.3-2022, Clause 46 “XGMII”
• Intel® 10-Gbps Ethernet MAC (XGMII) Product Brief, Rev 1.4, 2023
• Synopsys DesignWare 10G Ethernet Controller Databook, 2024
• 电子工程专辑《XGMII 与 XAUI 硬件设计指南》2024-06-15
• 优快云《10G XGMII 时序约束实例》2024-07-20