簡化您的乙太網設計,第1部分:乙太網PHY基礎知識和選擇過程

是100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T還是10BASE-Te？對於那些不太精通乙太網物理層（PHY）術語的人來說，評估各種類型的術語是非常難的。這些數字、符號和縮寫指的是什麼？什麼是介質獨立接口（MII）？汽車物理層和工業物理層的區別在哪？如何為網絡協議攝像頭、車聯網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場總線要求嗎？

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在技術文章系列「簡化您的乙太網設計」的第1部分中，我們將介紹乙太網物理層基礎知識，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。

什麼是乙太網物理層？

實際上，基礎乙太網物理層非常簡單：如圖1所示，它是一種物理層收發器（發射器和接收器），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：乙太網系統框圖

網際網路的初始概念是一個能夠快速、可靠、安全地將數據從一所大學交換到另一所大學的網絡，從而造成了乙太網的誕生。隨後電氣和電子工程師在（IEEE）在乙太網的基礎上進行擴展，採用新的速度（數據速率）、物理介質（電纜材料）和物理層功能，使乙太網的擴展遠遠超出計算機網絡。

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訪問控制器（MAC）連接的數字域，如現場可編程門陣列（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位寬的數據總線，在發送和接收方向上具有控制線和時鐘線。MII形式多樣，具體取決於MAC和PHY的速度，並且會有不同引腳計數。表1顯示了最常見的MII，並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）	速度 支持 (Mbps)	利	弊
MII	RX_D[3:0], RX_CLK, RX_DV, CRS, COL TX_D[3:0], TX_CLK, TX_EN (14)	1,0100	普通引腳分配、低速、便於布線、最低延遲	無1-Gbps支持，高引腳計數
MII減少（RMII）	RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN (6)		引腳計數減少	確定性延遲低 (由於先進、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，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)		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)		1-Gbps支持，普通引腳分配，電磁兼容性優良，易於布線	集成電路更昂貴

表1：根據引腳數和速度支持列出常見的MII

其次，PHY有一個介質獨立接口（MDI），它通過物理介質將一個設備（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，因為它是一個連續時變信號。

基於MDI，為您的系統選擇合適的乙太網物理層

現在我們已經介紹了物理層的功能，讓我們應用這些知識來為您的系統找到合適的物理層。大多數集成電路製造商規定其物理層具有以下規範和特性：

●   數據速率（10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps）

●   接口支持（MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII）

●   介質支持（BASE-T、BASE-Te、BASE-TX、BASE-T1）

有了這些信息，您可以從數據速率開始研究此列表，並將其與終端應用所需的數據速率相匹配。接下來，確定應用通常使用的標準。例如，自2015年以來，汽車乙太網得到了極大的擴展，現在通常由半導體製造商提供。因此，介質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。如果您的應用程式是自動化的，那麼支持BASE-T1的物理層是最適合的解決方案。此規則的例外是汽車車載診斷（OBD）埠，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。

MDI	IEEE規範 （數據速率）		典型系統	中等	利		弊
10BASE-T/Te	(10 Mbps)	IEEE802.3u	工業照明	CAT5	通用支持遠距離低待機功率		低速
10BASE-T1L		IEEE802.3cg	現場發送器；開關；加熱、通風和空調控制器；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，數據功率耦合
100BASE-TX		IEEE802.3u	PLC、IP攝像頭、OBD埠	CAT5	通用支持，由現場總線使用		高發射，外部組件
100BASE-T1		IEEE802.3bu	顯示群集、音響主機、網關、信息娛樂、航空電子通信、機器人學、機器視覺	UTP, STP	低發射、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	(1 Gbps)	IEEE802.3ab	IP攝像頭，測試與測量	CAT6	1-Gbps速度		電纜昂貴
1000BASE-T1		IEEE802.3bp	車聯網控制單元、網關、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

表2：常用MDI比較表

大多數商業和工業物理層支持多種數據速率。這些物理層包括一種稱為自動協商的機制，這是物理層交換有關功能支持的信息的一種方式，使它們能夠以儘可能快的速度連接起來。

TI乙太網物理層選擇流程圖

如果您已經準備好將您的乙太網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，包括用於支持 工業4.0 應用的 DP83826E 低延遲乙太網物理層和用於空間受限汽車應用的 DP83TC811S-Q11 00BASE-T1乙太網物理層，請訪問我們的 乙太網物理層概述。

圖2：TI乙太網物理層選擇流程圖

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、發射和信號損失。

其他資源

·   閱讀應用報告「與乙太網產品相關的縮略語的中英文定義」，了解與乙太網相關的縮略語的詳細列表。