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簡化以太網設計,第 1 部分:以太網 PHY基礎知識和選擇過程

eeDesigner ? 2022-12-08 18:32 ? 次閱讀

作者:Ross Pimentel 和 Aniruddha Khadye

是 100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T 還是 10BASE-Te?對于那些不精通以太網物理層(PHY)術語的人來說,評估各種類型可能會讓人不知所措。所有這些數字、符號和首字母縮略詞是什么?什么是媒體獨立接口 (MII)?汽車PHY和工業PHY有什么區別?如何為互聯網協議攝像機、遠程信息處理控制單元和可編程邏輯控制器選擇 PHY?是否所有 PHY 都滿足各種現場總線要求?

在“SimpliPHY 您的以太網設計”技術文章系列的第 1 部分中,我們將介紹以太網 PHY 基礎知識,以幫助您為最終應用選擇合適的 PHY。我們還包括 TI PHY 選擇流程圖,以幫助您簡化 PHY 選擇流程。

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滿足業界最低延遲的 10/100-Mbps 以太網 PHY

poYBAGORvUWAO1vSAAAF4RBjgmM887.png DP83826E 可縮短系統響應時間或在菊花鏈網絡中添加額外節點,而不會增加系統規模或成本。

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什么是以太網 PHY?

基本的以太網PHY實際上非常簡單:它是一個PHY收發器(發射器和接收器),將一個設備物理連接到另一個設備,如圖1所示。這種物理連接可以是銅纜(例如 CAT5 電纜、家庭中使用的藍色跳線)或光纖電纜。

phy-system-diagram.jpg

圖1:以太網系統圖

互聯網的最初概念是一種網絡,可以快速,可靠,安全地將數據從一所大學交換到另一所大學,從而創建了以太網網絡。電氣電子工程師協會(IEEE)隨后在以太網的基礎上進行了擴展,采用了新的速度(數據速率),物理介質(電纜材料)和PHY功能,使以太網的擴展遠遠超出了計算機網絡。

以太網 PHY 的功能是什么?

以太網 PHY 有兩個主要功能。

首先,PHY 具有一個數字域,該域直接連接到現場可編程門陣列 (FPGA)、微控制器MCU) 或中央處理器CPU) 等設備的媒體訪問控制器 (MAC)。PHY 將在某種程度上具有 MII,這是一種 4 位寬的數據總線,在發送和接收方向上具有控制線和時鐘線。MII 有各種不同的形式,具體取決于 MAC 和 PHY 的速度,并且具有不同的引腳數。表 1 顯示了最常見的 MII,并提供了選擇過程中要考慮的優缺點的高級摘要。

接口 引 腳
(引腳數)
速度支持
(兆字節)
優點 缺點
數以千計 RX_D[3:0], RX_CLK, RX_DV, CRS, COL TX_D[3:0], TX_CLK, TX_EN
(14)
10, 100 通用引腳排列、低速、布線簡單、延遲最低 不支持 1-Gbps,引腳數多
降低 MII (RMII) RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN
(6)
10, 100 減少引腳數 確定性延遲差(由于先進先出),不支持 1-Gbps
千兆MII (GMII) RX_D[7:0], GRX_CLK, RX_CTRL, TX_D[7:0], GTX_CLK, TX_CTRL
(20)
10, 100, 1000 支持 1-Gbps,低延遲 引腳數高,通常不支持
降低千兆位 MII (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,通用引腳排列 布線困難,電磁兼容性 (EMC) 差
千兆系列 MII (SGMII) SO_P、SO_M、SI_P SI_M
(4)
10, 100, 1000 1-Gbps 支持、通用引腳排列、出色的 EMC 性能、易于布線 更昂貴的集成電路

表 1:根據引腳數和速度支持列出的常見 MII

其次,PHY 具有介質相關接口 (MDI),可通過物理介質將一個設備(同樣是 FPGA、MCU 或 CPU)連接到另一個設備。這通常被稱為PHY的模擬域,因為它是一個連續的時變信號

根據 MDI 為您的系統選擇合適的以太網 PHY

現在我們已經介紹了 PHY 的功能,讓我們應用這些知識為您的系統找到合適的 PHY。大多數集成電路制造商為其PHY提供以下規格和功能:

數據速率(10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps)。

接口支持(MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII)。

媒體支持(BASE-T、BASE-TE、BASE-TX、BASE-T1)。

記住這些信息后,您可以從數據速率開始瀏覽列表,并將其與最終應用所需的數據速率相匹配。接下來,確定應用程序通常使用的標準。例如,自2015年以來,汽車以太網已經大大擴展,現在通常由半導體制造商提供。因此,中等標準是一個重要的考慮因素,因為BASE-T1與BASE-T完全不同。

另一個例子是,消費電子產品和大多數工業應用使用10BASE-Te,100BASE-TX和1000BASE-T,因為PC支持這些標準。如果您的應用是汽車,則支持 BASE-T1 的 PHY 是最合適的解決方案。此規則的例外是汽車板載診斷 (OBD) 端口,它們通常使用 BASE-T 或 BASE-TX 接口(再次)支持 PC 連接。表 2 概述了常見的 MDI 及其常見系統。

計量吸入器 IEEE規范
(數據速率)
典型系統 中等 優點 缺點
10堿基-T/TE IEEE802.3u
(10 兆字節)
工業照明 貓5 通常支持
長距離
低待機功耗
低速
10底座-T1L IEEE802.3cg
(10 兆字節)
現場變送器;開關;供暖、通風和空調控制器;自動 梯 非屏蔽雙絞線 (UTP)、屏蔽雙絞線 (STP) 超長距離,單對雙向,數據功率耦合 低速
100堿基-德克薩斯州 IEEE802.3u
(100 兆字節)
PLC、網絡攝像機、OBD 端口 貓5 通常支持,由現場總線使用 高排放,外部組件
100BASE-T1 IEEE802.3bu
(100 兆字節)
顯示集群、音響主機、網關、信息娛樂、航空電子通信機器人機器視覺 UTP, STP 低輻射、高抗擾度、單對電纜雙向 不常見(不支持 PC 連接),電纜距離短
1000BASE-T IEEE802.3ab
(1 Gbps)
IP 攝像機、測試和測量 貓6 1-Gbps 速度 昂貴的電纜
1000BASE-T1 IEEE802.3bp
(1 Gbps)
遠程信息處理控制單元、網關、航空電子通信、機器人、機器視覺 UTP, STP 1-Gbps 速度,單對雙向 不常見(不支持 PC 連接),電纜距離短

表2:常用計量吸入器的比較表

大多數商業和工業PHY支持多種數據速率。這些 PHY 包括一種稱為自動協商的機制,這是 PHY 交換有關功能支持信息的一種方式,使他們能夠以盡可能高的速度進行鏈接。

TI 以太網 PHY 選擇流程圖

如果您已準備好將以太網 PHY 知識付諸實踐,圖 2 是一個簡單的 PHY 選擇流程圖,可幫助您確定適合您設計的 TI 器件。訪問我們的以太網 PHY 概述,了解有關此流程圖中特色設備的更多信息,包括用于支持工業 4.0應用的 DP83826E 低延遲以太網 PHY,以及用于空間受限的汽車應用的 DP83TC811S-Q1 100BASE-T1 以太網 PHY。

phy-decision-tree.jpg

圖 2:TI 以太網 PHY 選擇流程圖

請繼續關注我們的 PHY 選擇系列的第二部分,該系列將探索 PHY 原理圖捕獲和布局的最佳實踐,以幫助最大限度地減少噪聲、輻射和信號損失。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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