單板上以太網(wǎng)硬件設(shè)計框架

一 關(guān)于這篇文章

如果沒有接觸過以太網(wǎng)相關(guān)硬件設(shè)計的話，也許會好奇，RJ45網(wǎng)口到控制器內(nèi)部的物理通路是什么樣的，我的這系列文章希望能夠幫助到需要的人。內(nèi)容初步規(guī)劃為三個部分：以太網(wǎng)硬件設(shè)計需要知道的基礎(chǔ)知識、以太網(wǎng)硬件設(shè)計細(xì)節(jié)、以太網(wǎng)測試，這篇是關(guān)于是以太網(wǎng)硬件設(shè)計需要知道的基礎(chǔ)知識，能夠?qū)伟迳弦蕴W(wǎng)硬件設(shè)計的框架有個系統(tǒng)性認(rèn)識。

二 單板上以太網(wǎng)硬件設(shè)計框架

2.1 以太網(wǎng)協(xié)議的基本構(gòu)成

由于以太網(wǎng)的接口形態(tài)、信號的傳輸媒介和標(biāo)準(zhǔn)非常多（在IEEE 802.3中定義），這里只介紹最熟悉的，我們生活中最常見的以銅質(zhì)雙絞線為媒介的10Base-T、100Base-TX、1000Base-T網(wǎng)絡(luò)，也就是我們常說的十兆、百兆、千兆網(wǎng)絡(luò)（單位兆是Mbps，Million bits per second），這三者可以在同一硬件架構(gòu)上自動兼容，取決于PHY芯片的支持。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的整個通信鏈路被分為7層（許多協(xié)議復(fù)用以太網(wǎng)硬件架構(gòu)，將以太網(wǎng)上層軟件協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展和修改，譬如EtherNET、GigE Vision、PROFINET等協(xié)議），與硬件設(shè)計相關(guān)的僅僅是數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)、物理層(PHY)。

圖 1開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(此圖來自網(wǎng)絡(luò))

2.2 以太網(wǎng)的硬件部分的基本構(gòu)成

以太網(wǎng)協(xié)議與硬件相關(guān)的2層中，主控制器的接口為MAC，MAC口連接的外圍芯片PHY（有些主控內(nèi)部集成了PHY，外部直接連網(wǎng)絡(luò)變壓器即可），MAC和PHY通信的接口有很多種（其實大同小異），用得最多的有RMII（最大支持百兆帶寬，MCU用得比較多）和RGMII（最大支持千兆帶寬，高性能平臺芯片用得比較多），其中SMI接口為PHY的寄存器配置引腳(MDIO,MDC)，CPU可以通過該接口對PHY進(jìn)行寄存器配置以及狀態(tài)的讀取。硬件的框圖如下：

圖2硬件框架簡圖

從框圖可以看到，電路并不復(fù)雜，CPU通過MAC的高速數(shù)字接口RMII/RGMII與PHY進(jìn)行交互，PHY作為物理層，起到將CPU發(fā)送過來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)編碼成差分信號給到外部網(wǎng)絡(luò)接口MDI，同樣的，本機(jī)的PHY將與RJ45連接的另一頭的PHY發(fā)送過來的差分信號轉(zhuǎn)換為RGMII信號發(fā)送給CPU。圖中變壓器原邊中心抽頭C1的連接方式取決于PHY的類型，電流型PHY，C1連接電源，電壓型PHY，C1連接電容到信號地，PHY芯片的Datasheet中會有說明。

PHY的主要作用：

以太網(wǎng)底層協(xié)議的處理，包括自協(xié)商、link狀態(tài)、網(wǎng)線自動翻轉(zhuǎn)、沖突檢測等等，這些信息同步體現(xiàn)在寄存器中，可以通過SMI接口進(jìn)行讀或?qū)憽?/p>

RMII/RGMII數(shù)據(jù)的編解碼工作，在不同的帶寬下編解碼不一樣，1000BASE-T是4D-PAM編碼(5電平)，100BASE-TX是MLT-3編碼(3電平)，10BASE-T是曼徹斯特編碼。

在10/100兆網(wǎng)中，RJ45的1、2為TX，3、6為RX，現(xiàn)在的PHY芯片基本都支持自動MDI/MDI-X技術(shù)，TX和RX無需考慮交叉（如果不放心可以在PHY的datasheet中搜索“Automatic MDI/MDIX”，不支持可以使用交叉網(wǎng)線，參考《網(wǎng)線T568A與T568B（交叉網(wǎng)線）》）。1000兆網(wǎng)的使用8根線，采用混合調(diào)制技術(shù)（后續(xù)專門寫一篇文章講這個），4對差分線可以同時進(jìn)行收發(fā)。

變壓器次級線圈的中心抽頭通過阻容連接到機(jī)殼地，電阻一般取值75Ω，電容一般取值1nF/2KV，主要作用是提供共模噪聲通路和濾波(變壓器內(nèi)部還有共模濾波電感，圖中沒有畫出)，如果網(wǎng)線是帶屏蔽的，屏蔽線連接機(jī)殼地（最好是圍繞信號線360°端接的方式），從而提供一個共模信號回流路徑，效果會更好。如下圖：

如果沒有屏蔽線，則兩設(shè)備通過電容或者遠(yuǎn)端地線提供共模回路，從而共模信號的環(huán)路較大，工模信號的輻射也會較大。

圖中電路沒有保護(hù)電路，一般在變壓器的初級（靠近PHY芯片一側(cè)）放置ESD陣列即可，由于是高速信號，ESD的結(jié)電容原則上不超過1pF，如果在工作環(huán)境比較惡劣的場景，需要選用功率更高的管子，結(jié)電容可適當(dāng)增加，原則上不超過2pF，次級也需要增加保護(hù)器件，具體情況具體分析。