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。

 

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。
 

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。