简化以太网设计，第 1 部分：以太网 PHY基础知识和选择过程-简介以太网

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。

满足业界最低延迟的 10/100-Mbps 以太网 PHY

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。

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。

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。

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。