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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

关键词:以太网设计 PHY FPGA

时间:2020-04-07 10:47:07      来源:网络

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?

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

(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

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。

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。

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