单板上以太网硬件设计框架

一 关于这篇文章

如果没有接触过以太网相关硬件设计的话，也许会好奇，RJ45网口到控制器内部的物理通路是什么样的，我的这系列文章希望能够帮助到需要的人。内容初步规划为三个部分：以太网硬件设计需要知道的基础知识、以太网硬件设计细节、以太网测试，这篇是关于是以太网硬件设计需要知道的基础知识，能够对单板上以太网硬件设计的框架有个系统性认识。

二 单板上以太网硬件设计框架

2.1 以太网协议的基本构成

由于以太网的接口形态、信号的传输媒介和标准非常多（在IEEE 802.3中定义），这里只介绍最熟悉的，我们生活中最常见的以铜质双绞线为媒介的10Base-T、100Base-TX、1000Base-T网络，也就是我们常说的十兆、百兆、千兆网络（单位兆是Mbps，Million bits per second），这三者可以在同一硬件架构上自动兼容，取决于PHY芯片的支持。标准以太网的整个通信链路被分为7层（许多协议复用以太网硬件架构，将以太网上层软件协议进行扩展和修改，譬如EtherNET、GigE Vision、PROFINET等协议），与硬件设计相关的仅仅是数据链路层(MAC)、物理层(PHY)。

图 1 开放式系统互联通信参考模型(此图来自网络)

2.2 以太网的硬件部分的基本构成

以太网协议与硬件相关的2层中，主控制器的接口为MAC，MAC口连接的外围芯片PHY（有些主控内部集成了PHY，外部直接连网络变压器即可），MAC和PHY通信的接口有很多种（其实大同小异），用得最多的有RMII（最大支持百兆带宽，MCU用得比较多）和RGMII（最大支持千兆带宽，高性能平台芯片用得比较多），其中SMI接口为PHY的寄存器配置引脚(MDIO,MDC)，CPU可以通过该接口对PHY进行寄存器配置以及状态的读取。硬件的框图如下：

图 2 硬件框架简图

从框图可以看到，电路并不复杂，CPU通过MAC的高速数字接口RMII/RGMII与PHY进行交互，PHY作为物理层，起到将CPU发送过来的网络数据编码成差分信号给到外部网络接口MDI，同样的，本机的PHY将与RJ45连接的另一头的PHY发送过来的差分信号转换为RGMII信号发送给CPU。图中变压器原边中心抽头C1的连接方式取决于PHY的类型，电流型PHY，C1连接电源，电压型PHY，C1连接电容到信号地，PHY芯片的Datasheet中会有说明。

PHY的主要作用：

以太网底层协议的处理，包括自协商、link状态、网线自动翻转、冲突检测等等，这些信息同步体现在寄存器中，可以通过SMI接口进行读或写。

RMII/RGMII数据的编解码工作，在不同的带宽下编解码不一样，1000BASE-T是4D-PAM编码(5电平)，100BASE-TX是MLT-3编码(3电平)，10BASE-T是曼彻斯特编码。

在10/100兆网中，RJ45的1、2为TX，3、6为RX，现在的PHY芯片基本都支持自动MDI/MDI-X技术，TX和RX无需考虑交叉（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网线，参考《网线T568A与T568B（交叉网线）》）。1000兆网的使用8根线，采用混合调制技术（后续专门写一篇文章讲这个），4对差分线可以同时进行收发。

变压器次级线圈的中心抽头通过阻容连接到机壳地，电阻一般取值75Ω，电容一般取值1nF/2KV，主要作用是提供共模噪声通路和滤波(变压器内部还有共模滤波电感，图中没有画出)，如果网线是带屏蔽的，屏蔽线连接机壳地（最好是围绕信号线360°端接的方式），从而提供一个共模信号回流路径，效果会更好。如下图：

 

如果没有屏蔽线，则两设备通过电容或者远端地线提供共模回路，从而共模信号的环路较大，工模信号的辐射也会较大。

图中电路没有保护电路，一般在变压器的初级（靠近PHY芯片一侧）放置ESD阵列即可，由于是高速信号，ESD的结电容原则上不超过1pF，如果在工作环境比较恶劣的场景，需要选用功率更高的管子，结电容可适当增加，原则上不超过2pF，次级也需要增加保护器件，具体情况具体分析。