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簡化您的以太網(wǎng)設計，第1部分：以太網(wǎng)PHY基礎知識和選擇過程

發(fā)布時間：2020-4-7 10:43 發(fā)布者：eechina

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng) , PHY

作者：德州儀器

是100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T還是10BASE-Te？對于那些不太精通以太網(wǎng)物理層（PHY）術(shù)語的人來說，評估各種類型的術(shù)語是非常難的。這些數(shù)字、符號和縮寫指的是什么？什么是介質(zhì)獨立接口（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)場總線要求嗎？

在技術(shù)文章系列“簡化您的以太網(wǎng)設計”的第1部分中，我們將介紹以太網(wǎng)物理層基礎知識，幫助您選擇合適的終端應用物理層。我們還將提供TI物理層選擇流程圖，幫助您簡化物理層選擇過程。

什么是以太網(wǎng)物理層？

實際上，基礎以太網(wǎng)物理層非常簡單：如圖1所示，它是一種物理層收發(fā)器（發(fā)射器和接收器），能將一個設備物理地連接到另一個設備。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)的初始概念是一個能夠快速、可靠、安全地將數(shù)據(jù)從一所大學交換到另一所大學的網(wǎng)絡，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)的基礎上進行擴展，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)的擴展遠遠超出計算機網(wǎng)絡。
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）具有直接與設備的介質(zhì)訪問控制器（MAC）連接的數(shù)字域，如現(xiàn)場可編程門陣列（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鐘線。MII形式多樣，具體取決于MAC和PHY的速度，并且會有不同引腳計數(shù)。表1顯示了最常見的MII，并提供了在選擇時中要考慮的利弊的摘要。

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

表1：根據(jù)引腳數(shù)和速度支持列出常見的MII

其次，PHY有一個介質(zhì)獨立接口（MDI），它通過物理介質(zhì)將一個設備（同樣，一個FPGA、MCU或CPU）連接到另一個設備。這通常被稱為物理層的模擬域，因為它是一個連續(xù)時變信號。

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，讓我們應用這些知識來為您的系統(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，并將其與終端應用所需的數(shù)據(jù)速率相匹配。接下來，確定應用通常使用的標準。例如，自2015年以來，汽車以太網(wǎng)得到了極大的擴展，現(xiàn)在通常由半導體制造商提供。因此，介質(zhì)標準是一個重要的考慮因素，因為BASE-T1與BASE-T完全不同。

再舉一個例子，消費電子產(chǎn)品和大多數(shù)工業(yè)應用使用10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T，因為PC支持這些標準。如果您的應用程序是自動化的，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（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	工業(yè)照明	CAT5	通用支持	低速
	(10 Mbps)			遠距離
				低待機功率
10BASE-T1L	IEEE802.3cg	現(xiàn)場發(fā)送器；開關(guān)；加熱、通風和空調(diào)控制器；自動扶梯	非屏蔽雙絞線（UTP），屏蔽雙絞線（STP）	超長距離，單對雙向，數(shù)據(jù)功率耦合	低速
	(10 Mbps)
100BASE-TX	IEEE802.3u	PLC、IP攝像頭、OBD端口	CAT5	通用支持，由現(xiàn)場總線使用	高發(fā)射，外部組件
	(100 Mbps)
100BASE-T1	IEEE802.3bu	顯示群集、音響主機、網(wǎng)關(guān)、信息娛樂、航空電子通信、機器人學、機器視覺	UTP, STP	低發(fā)射、高抗擾性、單對雙向電纜	不常見（無PC連接支持），電纜長度較短
	(100 Mbps)
1000BASE-T	IEEE802.3ab	IP攝像頭，測試與測量	CAT6	1-Gbps速度	電纜昂貴
	(1 Gbps)
1000BASE-T1	IEEE802.3bp	車聯(lián)網(wǎng)控制單元、網(wǎng)關(guān)、航空電子通信、機器人學、機器視覺	UTP, STP	1-Gbps速度，單對雙向	不常見（無PC連接支持），電纜長度較短
	(1 Gbps)

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協(xié)商的機制，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。

TI以太網(wǎng)物理層選擇流程圖

如果您已經(jīng)準備好將您的以太網(wǎng)物理層知識付諸實踐，圖2是一個簡單的物理層選擇流程圖，它可以幫助您確定適合您的設計的TI設備。如要了解此流程圖中設備的更多信息，包括用于支持工業(yè)4.0應用的DP83826E低延遲以太網(wǎng)物理層和用于空間受限汽車應用的DP83TC811S-Q1100BASE-T1以太網(wǎng)物理層，請訪問我們的以太網(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踐，以最大限度地降低噪聲、發(fā)射和信號損失。

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