以太网之物理层

   这一节来学习一下以太网的物理层，IEEE802.3标准就给出了以太网的物理层结构，如下图所示红色框内所标注的。

    我们可以看到物理大致可以分为： GMII介质无关接口、 PCS物理编码子层，PMA物理介质连接层，PMD物理介质相关层、MDI接口 、MEDIUM物理介质。

    我们从下往上看，首先看物理介质层。

    

    1、物理介质层

         这里所谓的物理介质，我们最常见的就是我们的网线，这就是一种以太网传输的物理介质。常见的物理介质还有同轴电缆、光纤等，现在基本没人用同轴电缆了。

         看下表，其中10-100-1000表示以太网的速度10M-100M-1000M。而BASE后的字母数字，则表示了当前介质的类型。

         其中最后几个是千兆网的传输介质，千兆以太网可以在下列四种媒质上运行:单模光纤(LX)，最大连接距离至少可达5公里；多模光纤(SX)，最大连接距离至少550米；同轴电缆（CX），最大连接距离至少25米；超五类/六类线(T)，最大连接距离为100米 。

10BASE2: 采用细同轴电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 10.)

10BASE5: 采用粗同轴电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 8.)

10BASE-F:采用光纤电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 15.)

10BASE-T:采用电话双绞线的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 14.)

100BASE-FX: 采用两个光纤的IEEE 802.3 100Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clauses  24 and 26.)

100BASE-T2: 采用两对3类线或更好的平衡线缆的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 32.)

100BASE-T4: 采用四对3、4、5类线非屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 23.)

100BASE-TX: 采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE  802.3 Clauses 24 and 25.)

1000BASE-CX: 1000BASE-X 在特制的屏蔽电缆传输的接口规格(参见 IEEE 802.3 Clause 39.)

1000BASE-LX: 1000BASE-X 采用单模或多模长波激光器的规格(参见 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-SX: 1000BASE-X 采用多模短波激光器的规格(参见 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-T: 采用四对五类平衡电缆的1000 Mb/s  物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 40.)

    

   这里提到了各种规范，其实每一种规范对应的物理层都是不一样的。

    

  我们看一下1000BASE-X的物理层。

    下面是1000BASE-T的物理层。可以看到1000BASE-T的自协商与1000BASE-X位置不一样。

            

    

    2、MDI接口

        MDI就是连接PHY芯片和物理介质的接口，常见的是RJ45接口。

        百兆网时，MDI四根线，两对差分信号，只用了RJ45的 1，2，3，6线，。

        千兆网时, MDI一共8根线，四对差分信号， 用了RJ45的8根线

        再说一下RJ45上的两个灯—— 绿灯：长亮，表示链路完整。  黄灯：闪烁，表示有数据收发。

    3、PMD \PMA\PCS 层

       原本想介绍一下这三个层，但最后还是放弃了，因为不同规范下，每一层都不一样，很难统一介绍。笔者也未深入研究。这里简述一下这三次完成的大致功能。

       PCS:    物理编码子层。

       对于1000BASE-X采用了8B/10B编码. 

       而对于1000BASE-T，则采用了PAM5编码转换方式。

        PMA: 如上图可以看出PMA层主要实现了串并转换。

        PMD: PMD层主要负责将串行信号转到相应的物理介质上。    

        如下补充4D-PAM5编码方式的解释：

       在通信网络中，接收端需要从接收数据中恢复时钟信息来保证同步，这就需要线路中所传输的二进制码流有足够多的跳变，即不能有过多连续的高电平或低电平，否则无法提取时钟信息。百兆以太网100BASE-T用的4B/5B编码与MLT-3编码组合方式，发送码流先进行4B/5B编码，再NRZ-I，最后进行MLT-3编码，最后再上线路传输；千兆以太网中1000BASE-X用的是8B/10B编码与NRZ编码组合方式；万兆以太网用的是64B/66B编码；PCIE 3.0用的是128B/130B编码。说到底这些编码都是为了从数据中恢复时钟。

    4、自协商 Auto_negotiation

        自协商一般是在物理层完成的。但是具体在PHY的哪一层完成，由具体物理介质规范决定。基本原理就是将 自协商的信息通过一串脉冲序列发送出去，这串脉冲称为FLP。这串脉冲的特点如下。脉冲中分为时钟脉冲和数据脉冲，数据脉冲夹在时钟脉冲中间，第一个脉冲为时钟脉冲，数据脉冲中正脉冲表示1，无脉冲表示0.一个FLP脉冲序列包含17个时钟脉冲，16个数据脉冲。时钟脉冲每个125us出现一次。

    

以下摘自华为《以太网标准和物理层、数据链路层专题》其中主要是百兆网的自协商。千兆网也类似差不多，相当于增加了一些位定义。

快速连接脉冲（FLP）的信息编码可以分为两类，一类是基本连接码字（基本页），支持基本的信息的交换。另一类是下一页码字，以支持附加信息页的交换。

基本页的信息编码可由下图表示。

图 1-1  基本页的信息编码图

选择域（Selector Field）

S[0:4]用于标识自协商消息的类型。已定义的类型如下表所示，所有未列出的组合的意义均保留，保留的编码组合目前不应在传输中出现。

自协商的类型含义

S4	S3	S2	S1	S0	Selector description
0	0	0	0	0	Reserved for future Auto-Negotiation development
0	0	0	0	1	IEEE Std 802.3
0	0	0	1	0	IEEE Std 802.9 ISLAN-16T
1	1	1	1	1	Reseerved for future Auto-Negotiation development

技术能力域（Technology Ability Field）

A[0:7]用于描述本端网络接口所支持的各种工作模式。不同的选择域类型对应不同的技术能力域定义。下面表格给出IEEE 802.3标准下定义的各种技术能力及其编码。

自协商的技术支持域的含义。

Bit	Technology	Minimum cabling requirement
A0	10BASE-T	Two-pair Category 3
A1	10BASE-T FULL DUPLEX	Two-pair Category 3
A2	100BASE-TX	Two-pair Category 5
A3	100BASE-TX FULL DUPLEX	Two-pair Category 5
A4	100BASE-T4	Four-pair Category 3
A[5:7]	Reserved for furure technology

        

   5、RGMII接口

    这里我主要介绍一下RGMII接口。因为我的开发板是这个接口的。RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是Reduced GMII（吉比特介质独立接口）。RGMII均采用4位数据接口，工作时钟125MHz，并且在上升沿和下降沿同时传输数据，因此传输速率可达1000Mbps。

一般用于MAC和PHY之间的通信。

发送器：

•  GTX_CLK——吉比特TX..信号的时钟（125MHz）
  
•  TXD[3..0]——被发送数据
  
•  TX_CTL——发送控制
  

注：在千兆速率下，向PHY提供GTX_CLK信号，TXD、TXEN、TXER信号与此时钟信号同步。否则，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK时钟信号，其它信号与此信号同步。其工作频率为25MHz（100M网络）或2.5MHz（10M网络）。

接收器：

• RX_CLK——接收时钟频率（从收到的数据中提取，因此与GTXCLK无关联）
  
• RXD[3..0]——接收数据
  
• RX_CTL——接收控制
  
• COL——冲突检测（仅用于半双工状态）
  
• CRS——载波监听
  

管理配置（控制和状态信息）：

• MDC——配置接口时钟
  
• MDIO——配置接口I/O
  

RGMII接口相对于GMII接口，在TXD和RXD上总共减少8根数据线。

RGMII时序

如下图