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以太網(wǎng)PHY基礎(chǔ)知識和選擇過程

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:TI ? 作者:TI ? 2023-03-24 09:31 ? 次閱讀

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(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)場總線要求嗎?

我們將介紹以太網(wǎng)物理層基礎(chǔ)知識,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,幫助您簡化物理層選擇過程。

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(shè)備物理地連接到另一個設(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。

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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(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
(Mbps)
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1-Gbps支持,高引腳計數(shù)
MII減少(RMII) RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN
(6)
10, 100 引腳計數(shù)減少 確定性延遲低(由于先進(jìn)、先出),無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有一個介質(zhì)獨(dú)立接口(MDI),它通過物理介質(zhì)將一個設(shè)備(同樣,一個FPGA、MCU或CPU)連接到另一個設(shè)備。這通常被稱為物理層的模擬域,因?yàn)樗且粋€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(yīng)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(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率相匹配。接下來,確定應(yīng)用通常使用的標(biāo)準(zhǔn)。例如,自2015年以來,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)是一個重要的考慮因素,因?yàn)锽ASE-T1與BASE-T完全不同。

再舉一個例子,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
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)場發(fā)送器;開關(guān);加熱、通風(fēng)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
100BASE-TX IEEE802.3u
(100 Mbps)
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
100BASE-T1 IEEE802.3bu
(100 Mbps)
顯示群集、音響主機(jī)、網(wǎng)關(guān)、信息娛樂、航空電子通信機(jī)器人學(xué)、機(jī)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
1000BASE-T IEEE802.3ab
(1 Gbps)
IP攝像頭,測試與測量 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 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

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(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。

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)物理層知識付諸實(shí)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(shè)計的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?jiān)L問我們的以太網(wǎng)物理層概述。

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圖2:TI以太網(wǎng)物理層選擇流程圖

審核編輯:郭婷

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