详细分析车载以太网基础知识

众所周知，汽车无人驾驶已成为汽车发展的一种趋势，它对汽车ECU系统数量和质量有了更大的需求。目前主流的电子架构体系已逐渐显露出不足，而车载以太网因其具众多优点，必然会在汽车车载网络中普遍应用。本文将从入门者的角度，讲解车载以太网中的重要知识。

01车载以太网的组成

车载以太网用于连接汽车内不同电气设备的一种网络，从而满足车载环境中一些特殊需求，它与传统以太网不尽相同，车载以太网主要由MAC（介质访问控制）、PHY（物理接口收发器）组成，与传统以太网不同，车载以太网固定为全双工通信方式，出于对汽车启动时间的考虑而没有引入自动协商机制，此外车载以太网是通过单对非屏蔽或屏蔽电缆连接，与之对应的100M的MDI接口为100Base-T1，以此满足EMC要求。

MAC是介质访问控制的英文简称，它位于OSI七层模型中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质，它一端通过PCI总线连接计算机，另一端通过MII连接PHY。在发送数据时，MAC协议会判断当前是否适合发送数据，若能，它会在将要发送的数据上附加一些控制信息，最终使数据以规定的格式到达物理层；在接收数据时，它会判断数据是否有错误，如果没有错误的话，它会去掉附加的控制信息发送至LCC（逻辑链路控制）子层。

PHY是物理接口收发器，它实现了以太网的物理层。PHY在发送从MAC接收到的数据时，会将该并行数据转化成串行数据，之后再转化为模拟信号发送；在接收数据时过程相反。

02MAC与PHY的接口连接

MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为SMI接口和MII接口。MII是介质独立接口，以太网MAC通过该接口发出数据帧经过PHY后传输到其他网络节点上，同时其他网络节点的数据先经过PHY后再由MAC接收；SMI全称是串行管理接口，以太网MAC通过该接口可以访问PHY的寄存器，通过对这些寄存器操作可对PHY进行控制和管理。

SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以获取PHY的状态）和MDC（为MDIO提供时钟）。MDC由MAC提供，MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。

MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RMII，如下图所示。

图1 MII接口

MII共使用了16根线。其中CRS与COL只在半双工模式有效，而车载以太网固定工作在全双工模式下，故应用在汽车环境需要14根线。

图2 RMII接口

RMII：精简版的MII，数据发送接收均为两根，相比MII减少了4根，另外它整合或减去了一些线，最终RMII只有8根线。

03PHY的常用功能解读

3.1PHY的回环模式

为了诊断以太网工作时出现的问题，需要给问题定位，PHY的回环模式就是起着这样的作用，回环是指数据从一端发送经过一段路径后又回到该端，相当于自发自收，一般PHY都有三种回环模式，分别为内部回环，外部回环和远程回环，它们的回环路径不同。下面简要介绍下这三种回环模式。

3.1.1 内部回环

在内部回环模式，PCS接收模块直接从PCS发送模块获得数据，如图3所示。此操作允许MAC将通过MII发送功能发送的数据包与从MII接收功能接收的数据包进行比较，因此，验证100Base-T1 PCS的状态。

图3  内部回环

3.1.2 外部回环

在外部回环模式下，PMA接收模块直接从PMA发送模块接收信号，如图4所示。这种外部回环测试允许MAC将通过MII发送功能发送的数据包与从MII接收功能接收的数据包进行比较，因此，验证100Base-T1 PCS和PMA的状态。

图4 外部回环

3.1.3 远程回环

在远程回环模式下，MDI上链接伙伴接收的数据包通过PMA接收和PCS接收模块传送到PCS发送模块，后者又将其发送回链接伙伴。PCS接收数据可在MII上获得。远程回环允许MAC将发送到MDI的数据包与从MDI接收回的数据包进行比较，从而验证物理信道的状态，包括100Base-T1 PHY。如图5所示。

图5 远程回环

3.2 PHY的电源模式

为了进一步降低系统功耗，一些PHY都支持多种电源模式，主要包括正常模式、待机模式和睡眠模式。

以太网要正常建立连接，PHY必须处于正常模式，在PHY上电后，一般不会马上就工作在正常模式，而是待机模式。在待机模式下，PHY的ECU主电源被激活，功耗相对睡眠模式略高，睡眠模式是PHY工作功耗最低的模式，如果网络中暂时不需要节点的功能，可使节点工作在睡眠模式，在睡眠模式下，此时节点可断电整个ECU，除了唤醒检测外，关闭所有内部功能。