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簡(jiǎn)化您的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，第1部分：以太網(wǎng)PHY基礎(chǔ)知識(shí)和選擇過(guò)程

本文作者：德州儀器點(diǎn)擊： 2020-04-06 11:38

前言：

是100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T還是10BASE-Te？對(duì)于那些不太精通以太網(wǎng)物理層（PHY）術(shù)語(yǔ)的人來(lái)說(shuō)，評(píng)估各種類型的術(shù)語(yǔ)是非常難的。這些數(shù)字、符號(hào)和縮寫指的是什么？什么是介質(zhì)獨(dú)立接口（MII）？汽車物理層和工業(yè)物理層的區(qū)別在哪？如何為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議攝像頭、車聯(lián)網(wǎng)控制單元和可編程邏輯控制器選擇物理層？所有的物理層都滿足各種現(xiàn)場(chǎng)總線要求嗎？

在技術(shù)文章系列“簡(jiǎn)化您的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)”的第1部分中，我們將介紹以太網(wǎng)物理層基礎(chǔ)知識(shí)，幫助您選擇合適的終端應(yīng)用物理層。我們還將提供TI物理層選擇流程圖，幫助您簡(jiǎn)化物理層選擇過(guò)程。

什么是以太網(wǎng)物理層？
實(shí)際上，基礎(chǔ)以太網(wǎng)物理層非常簡(jiǎn)單：如圖1所示，它是一種物理層收發(fā)器（發(fā)射器和接收器），能將一個(gè)設(shè)備物理地連接到另一個(gè)設(shè)備。這種物理連接可以是銅線（例如CAT5電纜——一種家庭使用的藍(lán)色插線電纜）或光纖電纜。

圖1：以太網(wǎng)系統(tǒng)框圖

互聯(lián)網(wǎng)的初始概念是一個(gè)能夠快速、可靠、安全地將數(shù)據(jù)從一所大學(xué)交換到另一所大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)，從而造成了以太網(wǎng)的誕生。隨后電氣和電子工程師在（IEEE）在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，采用新的速度（數(shù)據(jù)速率）、物理介質(zhì)（電纜材料）和物理層功能，使以太網(wǎng)的擴(kuò)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

Ethernet物理層有哪些功能？
Ethernet物理層有兩大主要功能。

首先，物理層（PHY）具有直接與設(shè)備的介質(zhì)訪問(wèn)控制器（MAC）連接的數(shù)字域，如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、微控制器（MCU）或中央處理器（CPU）。PHY將在不同程度上具有MII、4位寬的數(shù)據(jù)總線，在發(fā)送和接收方向上具有控制線和時(shí)鐘線。MII形式多樣，具體取決于MAC和PHY的速度，并且會(huì)有不同引腳計(jì)數(shù)。表1顯示了最常見的MII，并提供了在選擇時(shí)中要考慮的利弊的摘要。

接口	引腳（引腳計(jì)數(shù)）	速度支持 (Mbps)	利	弊
MII	RX_D[3:0], RX_CLK, RX_DV, CRS, COL TX_D[3:0], TX_CLK, TX_EN (14)	10, 100	普通引腳分配、低速、便于布線、最低延遲	無(wú)1-Gbps支持，高引腳計(jì)數(shù)
MII減少（RMII）	RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN (6)	10, 100	引腳計(jì)數(shù)減少	確定性延遲低 (由于先進(jìn)、先出)，無(wú)1-Gbps支持
千兆位MII（GMII）	RX_D[7:0], GRX_CLK, RX_CTRL, TX_D[7:0], GTX_CLK, TX_CTRL (20)	10, 100, 1000	1-Gbps支持，低延遲	高引腳計(jì)數(shù)，一般不支持
千兆位MII減少（RGMII）	RX_D[3:0], RX_CLK, RX_CTRL, TX_D[3:0], TX_CLK, TX_CTRL (12)	10, 100, 1000	1-Gbps支持，普通引腳分配	布線困難，電磁兼容性（EMC）差
串行千兆位MII（SGMII）	SO_P, SO_M, SI_P, SI_M (4)	10, 100, 1000	1-Gbps支持，普通引腳分配，電磁兼容性優(yōu)良，易于布線	集成電路更昂貴

表1：根據(jù)引腳數(shù)和速度支持列出常見的MII

其次，PHY有一個(gè)介質(zhì)獨(dú)立接口（MDI），它通過(guò)物理介質(zhì)將一個(gè)設(shè)備（同樣，一個(gè)FPGA、MCU或CPU）連接到另一個(gè)設(shè)備。這通常被稱為物理層的模擬域，因?yàn)樗且粋€(gè)連續(xù)時(shí)變信號(hào)。

基于MDI，為您的系統(tǒng)選擇合適的以太網(wǎng)物理層
現(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了物理層的功能，讓我們應(yīng)用這些知識(shí)來(lái)為您的系統(tǒng)找到合適的物理層。大多數(shù)集成電路制造商規(guī)定其物理層具有以下規(guī)范和特性：
• 數(shù)據(jù)速率（10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps）
• 接口支持（MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII）
• 介質(zhì)支持（BASE-T、BASE-Te、BASE-TX、BASE-T1）

有了這些信息，您可以從數(shù)據(jù)速率開始研究此列表，并將其與終端應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率相匹配。接下來(lái)，確定應(yīng)用通常使用的標(biāo)準(zhǔn)。例如，自2015年以來(lái)，汽車以太網(wǎng)得到了極大的擴(kuò)展，現(xiàn)在通常由半導(dǎo)體制造商提供。因此，介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)锽ASE-T1與BASE-T完全不同。

再舉一個(gè)例子，消費(fèi)電子產(chǎn)品和大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用使用10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T，因?yàn)镻C支持這些標(biāo)準(zhǔn)。如果您的應(yīng)用程序是自動(dòng)化的，那么支持BASE-T1的物理層是最適合的解決方案。此規(guī)則的例外是汽車車載診斷（OBD）端口，它通常使用BASE-T或BASE-TX接口來(lái)（再次）支持PC連接。表2概述了常見的MDI及其常見的系統(tǒng)。

MDI	IEEE規(guī)范（數(shù)據(jù)速率）	典型系統(tǒng)	中等	利	弊
10BASE-T/Te	IEEE802.3u (10 Mbps)	工業(yè)照明	CAT5	通用支持遠(yuǎn)距離低待機(jī)功率	低速
10BASE-T1L	IEEE802.3cg (10 Mbps)	現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送器；開關(guān)；加熱、通風(fēng)和空調(diào)控制器；自動(dòng)扶梯	非屏蔽雙絞線（UTP），屏蔽雙絞線（STP）	超長(zhǎng)距離，單對(duì)雙向，數(shù)據(jù)功率耦合	低速
100BASE-TX	IEEE802.3u (100 Mbps)	PLC、IP攝像頭、OBD端口	CAT5	通用支持，由現(xiàn)場(chǎng)總線使用	高發(fā)射，外部組件
100BASE-T1	IEEE802.3bu (100 Mbps)	顯示群集、音響主機(jī)、網(wǎng)關(guān)、信息娛樂(lè)、航空電子通信、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器視覺(jué)	UTP, STP	低發(fā)射、高抗擾性、單對(duì)雙向電纜	不常見（無(wú)PC連接支持），電纜長(zhǎng)度較短
1000BASE-T	IEEE802.3ab (1 Gbps)	IP攝像頭，測(cè)試與測(cè)量	CAT6	1-Gbps速度	電纜昂貴
1000BASE-T1	IEEE802.3bp (1 Gbps)	車聯(lián)網(wǎng)控制單元、網(wǎng)關(guān)、航空電子通信、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器視覺(jué)	UTP, STP	1-Gbps速度，單對(duì)雙向	不常見（無(wú)PC連接支持），電纜長(zhǎng)度較短

表2：常用MDI比較表

大多數(shù)商業(yè)和工業(yè)物理層支持多種數(shù)據(jù)速率。這些物理層包括一種稱為自動(dòng)協(xié)商的機(jī)制，這是物理層交換有關(guān)功能支持的信息的一種方式，使它們能夠以盡可能快的速度連接起來(lái)。

TI以太網(wǎng)物理層選擇流程圖
如果您已經(jīng)準(zhǔn)備好將您的以太網(wǎng)物理層知識(shí)付諸實(shí)踐，圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理層選擇流程圖，它可以幫助您確定適合您的設(shè)計(jì)的TI設(shè)備。如要了解此流程圖中設(shè)備的更多信息，包括用于支持工業(yè)4.0應(yīng)用的DP83826E低延遲以太網(wǎng)物理層和用于空間受限汽車應(yīng)用的DP83TC811S-Q1100BASE-T1以太網(wǎng)物理層，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)我們的以太網(wǎng)物理層概述。

圖2：TI以太網(wǎng)物理層選擇流程圖

敬請(qǐng)期待我們物理層選擇系列的第2部分，我們將探索物理層原理圖捕獲和布局的最佳實(shí)踐，以最大限度地降低噪聲、發(fā)射和信號(hào)損失。

其他資源
• 閱讀應(yīng)用報(bào)告“與以太網(wǎng)產(chǎn)品相關(guān)的縮略語(yǔ)的中英文定義”，了解與以太網(wǎng)相關(guān)的縮略語(yǔ)的詳細(xì)列表。

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