简化以太网设计,第 1 部分:以太网 PHY基础知识和选择过程

描述

作者:Ross Pimentel 和 Aniruddha Khadye

是 100BASE-T1、1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-T 还是 10BASE-Te?对于那些不精通以太网物理层(PHY)术语的人来说,评估各种类型可能会让人不知所措。所有这些数字、符号和首字母缩略词是什么?什么是媒体独立接口 (MII)?汽车PHY和工业PHY有什么区别?如何为互联网协议摄像机、远程信息处理控制单元和可编程逻辑控制器选择 PHY?是否所有 PHY 都满足各种现场总线要求?

在“SimpliPHY 您的以太网设计”技术文章系列的第 1 部分中,我们将介绍以太网 PHY 基础知识,以帮助您为最终应用选择合适的 PHY。我们还包括 TI PHY 选择流程图,以帮助您简化 PHY 选择流程。

MDI


满足业界最低延迟的 10/100-Mbps 以太网 PHY

MDI DP83826E 可缩短系统响应时间或在菊花链网络中添加额外节点,而不会增加系统规模或成本。

MDI

什么是以太网 PHY?

基本的以太网PHY实际上非常简单:它是一个PHY收发器(发射器和接收器),将一个设备物理连接到另一个设备,如图1所示。这种物理连接可以是铜缆(例如 CAT5 电缆、家庭中使用的蓝色跳线)或光纤电缆。

MDI

图1:以太网系统图

互联网的最初概念是一种网络,可以快速,可靠,安全地将数据从一所大学交换到另一所大学,从而创建了以太网网络。电气和电子工程师协会(IEEE)随后在以太网的基础上进行了扩展,采用了新的速度(数据速率),物理介质(电缆材料)和PHY功能,使以太网的扩展远远超出了计算机网络。

以太网 PHY 的功能是什么?

以太网 PHY 有两个主要功能。

首先,PHY 具有一个数字域,该域直接连接到现场可编程门阵列 (FPGA)、微控制器 (MCU) 或中央处理器 (CPU) 等设备的媒体访问控制器 (MAC)。PHY 将在某种程度上具有 MII,这是一种 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 有各种不同的形式,具体取决于 MAC 和 PHY 的速度,并且具有不同的引脚数。表 1 显示了最常见的 MII,并提供了选择过程中要考虑的优缺点的高级摘要。

接口 引 脚
(引脚数)
速度支持
(兆字节)
优点 缺点
数以千计 RX_D[3:0], RX_CLK, RX_DV, CRS, COL TX_D[3:0], TX_CLK, TX_EN
(14)
10, 100 通用引脚排列、低速、布线简单、延迟最低 不支持 1-Gbps,引脚数多
降低 MII (RMII) RX_D[1:0], CRS_DV, TX_D[1:0], TX_EN
(6)
10, 100 减少引脚数 确定性延迟差(由于先进先出),不支持 1-Gbps
千兆MII (GMII) RX_D[7:0], GRX_CLK, RX_CTRL, TX_D[7:0], GTX_CLK, TX_CTRL
(20)
10, 100, 1000 支持 1-Gbps,低延迟 引脚数高,通常不支持
降低千兆位 MII (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,通用引脚排列 布线困难,电磁兼容性 (EMC) 差
千兆系列 MII (SGMII) SO_P、SO_M、SI_P SI_M
(4)
10, 100, 1000 1-Gbps 支持、通用引脚排列、出色的 EMC 性能、易于布线 更昂贵的集成电路

表 1:根据引脚数和速度支持列出的常见 MII

其次,PHY 具有介质相关接口 (MDI),可通过物理介质将一个设备(同样是 FPGA、MCU 或 CPU)连接到另一个设备。这通常被称为PHY的模拟域,因为它是一个连续的时变信号。

根据 MDI 为您的系统选择合适的以太网 PHY

现在我们已经介绍了 PHY 的功能,让我们应用这些知识为您的系统找到合适的 PHY。大多数集成电路制造商为其PHY提供以下规格和功能:

数据速率(10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps)。

接口支持(MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII)。

媒体支持(BASE-T、BASE-TE、BASE-TX、BASE-T1)。

记住这些信息后,您可以从数据速率开始浏览列表,并将其与最终应用所需的数据速率相匹配。接下来,确定应用程序通常使用的标准。例如,自2015年以来,汽车以太网已经大大扩展,现在通常由半导体制造商提供。因此,中等标准是一个重要的考虑因素,因为BASE-T1与BASE-T完全不同。

另一个例子是,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。如果您的应用是汽车,则支持 BASE-T1 的 PHY 是最合适的解决方案。此规则的例外是汽车板载诊断 (OBD) 端口,它们通常使用 BASE-T 或 BASE-TX 接口(再次)支持 PC 连接。表 2 概述了常见的 MDI 及其常见系统。

计量吸入器 IEEE规范
(数据速率)
典型系统 中等 优点 缺点
10碱基-T/TE IEEE802.3u
(10 兆字节)
工业照明 猫5 通常支持
长距离
低待机功耗
低速
10底座-T1L IEEE802.3cg
(10 兆字节)
现场变送器;开关;供暖、通风和空调控制器;自动 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
100碱基-德克萨斯州 IEEE802.3u
(100 兆字节)
PLC、网络摄像机、OBD 端口 猫5 通常支持,由现场总线使用 高排放,外部组件
100BASE-T1 IEEE802.3bu
(100 兆字节)
显示集群、音响主机、网关、信息娱乐、航空电子通信、机器人、机器视觉 UTP, STP 低辐射、高抗扰度、单对电缆双向 不常见(不支持 PC 连接),电缆距离短
1000BASE-T IEEE802.3ab
(1 Gbps)
IP 摄像机、测试和测量 猫6 1-Gbps 速度 昂贵的电缆
1000BASE-T1 IEEE802.3bp
(1 Gbps)
远程信息处理控制单元、网关、航空电子通信、机器人、机器视觉 UTP, STP 1-Gbps 速度,单对双向 不常见(不支持 PC 连接),电缆距离短

表2:常用计量吸入器的比较表

大多数商业和工业PHY支持多种数据速率。这些 PHY 包括一种称为自动协商的机制,这是 PHY 交换有关功能支持信息的一种方式,使他们能够以尽可能高的速度进行链接。

TI 以太网 PHY 选择流程图

如果您已准备好将以太网 PHY 知识付诸实践,图 2 是一个简单的 PHY 选择流程图,可帮助您确定适合您设计的 TI 器件。访问我们的以太网 PHY 概述,了解有关此流程图中特色设备的更多信息,包括用于支持工业 4.0应用的 DP83826E 低延迟以太网 PHY,以及用于空间受限的汽车应用的 DP83TC811S-Q1 100BASE-T1 以太网 PHY。

MDI

图 2:TI 以太网 PHY 选择流程图

请继续关注我们的 PHY 选择系列的第二部分,该系列将探索 PHY 原理图捕获和布局的最佳实践,以帮助最大限度地减少噪声、辐射和信号损失。

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