简化您的以太网设计，第1部分：以太网PHY基础知识和选择过程

作者：德州仪器

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？

在技术文章系列“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  利  弊
  (Mbps)
  MII  RX_D,  RX_CLK, RX_DV, CRS, COL TX_D, TX_CLK, TX_EN  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
  -14
  MII减少（RMII）  RX_D,  CRS_DV, TX_D, TX_EN  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
  -6
  千兆位MII（GMII）  RX_D,  GRX_CLK, RX_CTRL, TX_D, GTX_CLK, TX_CTRL  10, 100, 1000  1-Gbps支持，低延迟  高引脚计数，一般不支持
  -20
  千兆位MII减少（RGMII）  RX_D,  RX_CLK, RX_CTRL, TX_D, TX_CLK, TX_CTRL  10, 100, 1000  1-Gbps支持，普通引脚分配  布线困难，电磁兼容性（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，普通引脚分配，电磁兼容性优良，易于布线  集成电路更昂贵
  -4
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  工业照明  CAT5  通用支持  低速
  (10 Mbps)  远距离
  　  低待机功率
  10BASE-T1L  IEEE802.3cg  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
  (10 Mbps)
  100BASE-TX  IEEE802.3u  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
  (100 Mbps)
  100BASE-T1  IEEE802.3bu  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
  (100 Mbps)
  1000BASE-T  IEEE802.3ab  IP摄像头，测试与测量  CAT6  1-Gbps速度  电缆昂贵
  (1 Gbps)
  1000BASE-T1  IEEE802.3bp  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
  (1 Gbps)

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。


图2：TI以太网物理层选择流程图

敬请期待我们物理层选择系列的第2部分，我们将探索物理层原理图捕获和布局的最佳实践，以最大限度地降低噪声、发射和信号损失。