以太网PHY基础知识和选择过程

2万 · 2020-8-6 23:37

是100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T还是10BASE-Te？对于那些不太精通以太网物理层（PHY）术语的人来说，评估各种类型的术语是非常难的。这些数字、符号和缩写指的是什么？什么是介质独立接口（MII）？汽车物理层和工业物理层的区别在哪？如何为网络协议摄像头、车联网控制单元和可编程逻辑控制器选择物理层？所有的物理层都满足各种现场总线要求吗？

　　在技术**系列"简化您的以太网设计"的第1部分中，我们将介绍以太网物理层基础知识，帮助您选择合适的终端应用物理层。我们还将提供TI物理层选择流程图，帮助您简化物理层选择过程。

什么是以太网物理层？

　　实际上，基础以太网物理层非常简单：如图1所示，它是一种物理层收发器（发射器和接收器），能将一个设备物理地连接到另一个设备。这种物理连接可以是铜线（例如CAT5电缆--一种家庭使用的蓝色插线电缆）或光纤电缆。

图1：以太网系统框图

　　互联网的初始概念是一个能够快速、可靠、安全地将数据从一所大学交换到另一所大学的网络，从而造成了以太网的诞生。随后电气和电子工程师在（IEEE）在以太网的基础上进行扩展，采用新的速度（数据速率）、物理介质（电缆材料）和物理层功能，使以太网的扩展远远超出计算机网络。

Ethernet物理层有哪些功能？

　　Ethernet物理层有两大主要功能。
　　首先，物理层（PHY）具有直接与设备的介质访问控制器（MAC）连接的数字域，如现场可编程门阵列（FPGA）、微控制器（MCU）或中央处理器（CPU）。PHY将在不同程度上具有MII、4位宽的数据总线，在发送和接收方向上具有控制线和时钟线。MII形式多样，具体取决于MAC和PHY的速度，并且会有不同引脚计数。表1显示了最常见的MII，并提供了在选择时中要考虑的利弊的摘要。

接口	引脚（引脚计数）	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	普通引脚分配、低速、便于布线、最低延迟	无1-Gbps支持，高引脚计数
MII减少（RMII）	RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN (6)	10, 100	引脚计数减少	确定性延迟低 (由于先进、先出)，无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，低延迟	高引脚计数，一般不支持
千兆位MII减少（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，普通引脚分配	布线困难，电磁兼容性（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，普通引脚分配，电磁兼容性优良，易于布线	集成电路更昂贵

表1：根据引脚数和速度支持列出常见的MII

　　其次，PHY有一个介质独立接口（MDI），它通过物理介质将一个设备（同样，一个FPGA、MCU或CPU）连接到另一个设备。这通常被称为物理层的模拟域，因为它是一个连续时变信号。

　　基于MDI，为您的系统选择合适的以太网物理层

　　现在我们已经介绍了物理层的功能，让我们应用这些知识来为您的系统找到合适的物理层。大多数集成电路制造商规定其物理层具有以下规范和特性：
　　●数据速率（10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps）
　　●接口支持（MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII）
　　●介质支持（BASE-T、BASE-Te、BASE-TX、BASE-T1）
　　有了这些信息，您可以从数据速率开始研究此列表，并将其与终端应用所需的数据速率相匹配。接下来，确定应用通常使用的标准。例如，自2015年以来，汽车以太网得到了极大的扩展，现在通常由半导体制造商提供。因此，介质标准是一个重要的考虑因素，因为BASE-T1与BASE-T完全不同。

　　再举一个例子，消费电子产品和大多数工业应用使用10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T，因为PC支持这些标准。如果您的应用程序是自动化的，那么支持BASE-T1的物理层是最适合的解决方案。此规则的例外是汽车车载诊断（OBD）端口，它通常使用BASE-T或BASE-TX接口来（再次）支持PC连接。表2概述了常见的MDI及其常见的系统。

MDI	IEEE规范（数据速率）	典型系统	中等	利	弊
10BASE-T/Te	IEEE802.3u (10 Mbps)	工业照明	CAT5	通用支持远距离低待机功率	低速
10BASE-T1L	IEEE802.3cg (10 Mbps)	现场发送器；开关；加热、通风和空调控制器；自动扶梯	非屏蔽双绞线（UTP），屏蔽双绞线（STP）	超长距离，单对双向，数据功率耦合	低速
100BASE-TX	IEEE802.3u (100 Mbps)	PLC、IP摄像头、OBD端口	CAT5	通用支持，由现场总线使用	高发射，外部组件
100BASE-T1	IEEE802.3bu (100 Mbps)	显示群集、音响主机、网关、信息娱乐、航空电子通信、机器人学、机器视觉	UTP, STP	低发射、高抗扰性、单对双向电缆	不常见（无PC连接支持），电缆长度较短
1000BASE-T	IEEE802.3ab (1 Gbps)	IP摄像头，测试与测量	CAT6	1-Gbps速度	电缆昂贵
1000BASE-T1	IEEE802.3bp (1 Gbps)	车联网控制单元、网关、航空电子通信、机器人学、机器视觉	UTP, STP	1-Gbps速度，单对双向	不常见（无PC连接支持），电缆长度较短

表2：常用MDI比较表

　　大多数商业和工业物理层支持多种数据速率。这些物理层包括一种称为自动协商的机制，这是物理层交换有关功能支持的信息的一种方式，使它们能够以尽可能快的速度连接起来。

　　TI以太网物理层选择流程图

　　如果您已经准备好将您的以太网物理层知识付诸实践，图2是一个简单的物理层选择流程图，它可以帮助您确定适合您的设计的TI设备。如要了解此流程图中设备的更多信息，包括用于支持工业4.0应用的DP83826E低延迟以太网物理层和用于空间受限汽车应用的DP83TC811S-Q1100BASE-T1以太网物理层，请访问我们的以太网物理层概述。