以太网接口的基本介绍 - 电子发烧友网

以太网接口电路的基本介绍

以太网（ Ethernet ）设备组网的基本元素有交换机、路由器、集线器、光纤和普通网线以及以太网协议和通讯规则。

以太网接口电路是计算机、路由器、交换机等网络设备实现有线以太网连接的关键硬件部分。它负责将设备内部的数据处理单元（如CPU或网络处理器）产生的数字信号，转换成可以在双绞线（网线）上传输的物理信号（以及反之亦然）。以下是其基本组成和功能：

核心组成部分：

RJ45 连接器:
- 标准的8P8C（8个位置，8个触点）物理接口插座。
- 用于连接标准的以太网线缆（Cat5e、Cat6等）。
- 包含用于连接双绞线各线对的引脚（通常支持100/1000BASE-T的线对：1-2, 3-6, 4-5, 7-8）。
隔离变压器:
- 功能核心： 提供物理层非常重要的电气隔离。
- 作用：
  - 保护： 隔绝设备内部电路（低压）与外接网线（可能引入高压浪涌、静电放电ESD或地线环路电流）的直流连接，防止高压损坏内部芯片。
  - 电平转换/阻抗匹配： 将PHY芯片发送端的低压差分信号（通常约1-1.5Vpp）耦合到网线上需要的更高电平（如100BASE-TX约2Vpp），并将接收到的网线信号降压耦合到PHY接收端的合适电平。
  - 共模噪声抑制： 抑制网线上耦合过来的共模干扰噪声（如电磁干扰EMI）。
- 位置： 紧邻RJ45插座，通常在RJ45插座内部集成或非常靠近插座的外部独立元件。
PHY 芯片:
- 物理层收发器： 是整个接口电路的智能核心。
- 主要功能：
  - 信号调制/解调： 将MAC层过来的并行数字数据流调制（编码）成适合在双绞线上传输的模拟信号波形（如MLT-3、PAM-3/PAM-5等）。将从网线接收到的模拟信号解调（解码）成数字信号。
  - 线路驱动/接收： 驱动发送差分信号经过隔离变压器到网线（发送放大器）。接收并放大从网线/变压器过来的微弱差分信号（接收放大器）。
  - 时钟恢复： 从接收到的信号中提取时钟信息以实现同步。
  - 自协商： 与链路对端设备自动协商传输速度（10Mbps、100Mbps、1000Mbps）和工作模式（全双工/半双工）。
  - 链路检测： 检测物理链路的连接状态（Link up/down）。
  - 线路诊断： 高级PHY可能支持电缆诊断功能（长度、故障点等）。
  - 编解码： 执行物理层线缆编码（如曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等）。
- 接口：
  - 媒体侧接口： 通过差分线对（MDI）连接到隔离变压器。
  - 设备侧接口： 通过标准接口（如MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII、USXGMII等）与MAC控制器（Media Access Controller）通信。MAC控制器通常集成在设备的CPU、交换机芯片或独立芯片中。
MAC 控制器:
- 媒体访问控制器： 通常不集成在PHY芯片内，而是位于设备主控芯片或独立芯片中。
- 主要功能：
  - 数据帧组装/拆解： 负责按照以太网帧格式（如Ethernet II、802.3）打包/解包数据。
  - 帧校验（CRC）： 生成发送帧的循环冗余校验码，并校验接收帧的CRC。
  - 流量控制： 实现暂停帧（PAUSE frame）机制以控制发送速率。
  - 冲突检测/避让： （在半双工模式下）检测链路上的信号冲突并执行退避算法。
  - 地址过滤： 识别接收帧的目的MAC地址是否为本机或需要转发的地址。
  - 媒体访问控制： 管理数据帧在共享媒体上的发送时机。
- 接口： 通过上述标准接口（MII、RGMII等）与PHY芯片连接。

信号流向：

发送（设备 -> 网络）：
- 设备内部处理器 (数据) -> MAC控制器 (组装成帧) -> 标准接口 (MII/RGMII等) -> PHY芯片 (数据编码、调制、放大) -> 隔离变压器 (耦合、电平提升、隔离) -> RJ45连接器 -> 以太网线缆。
接收（网络 -> 设备）：
- 以太网线缆 -> RJ45连接器 -> 隔离变压器 (耦合、电平下降、隔离、抑制噪声) -> PHY芯片 (信号放大、解调、解码、时钟恢复) -> 标准接口 (MII/RGMII等) -> MAC控制器 (帧校验、地址过滤、拆包) -> 设备内部处理器 (数据)。

附加元件：

LED指示灯驱动电路： PHY芯片通常输出Link/Activity/Speed状态信号，驱动RJ45接口旁的LED指示灯。
滤波电容/磁珠/电阻： 用于电源去耦、抑制高频噪声、阻抗匹配、设置偏置电压等。
ESD保护元件： 通常集成在RJ45插座或PHY芯片中，或在外部电路加入TVS二极管等，提供静电放电保护。

总结：

以太网接口电路的核心是一个通过RJ45连接器连接网线的隔离变压器和一个处理物理层信号的PHY芯片。它们共同工作，在MAC控制器的配合下，完成设备内部数字信号与网线上模拟信号之间的可靠转换、传输、接收和保护。隔离变压器对保障电路安全和信号质量至关重要。理解PHY与MAC的分工协作是掌握以太网接口原理的关键。