以太網之物理層

   這一節來學習一下以太網的物理層，IEEE802.3標準就給出了以太網的物理層結構，以下圖所示紅色框內所標註的。

    咱們能夠看到物理大體能夠分爲： GMII介質無關接口、 PCS物理編碼子層，PMA物理介質鏈接層，PMD物理介質相關層、MDI接口 、MEDIUM物理介質。

    咱們從下往上看，首先看物理介質層。

    

    一、物理介質層

         這裏所謂的物理介質，咱們最多見的就是咱們的網線，這就是一種以太網傳輸的物理介質。常見的物理介質還有同軸電纜、光纖等，如今基本沒人用同軸電纜了。

         看下錶，其中10-100-1000表示以太網的速度10M-100M-1000M。而BASE後的字母數字，則表示了當前介質的類型。

         其中最後幾個是千兆網的傳輸介質， 千兆以太網能夠在下列四種媒質上運行:單模光纖(LX)，最大鏈接距離至少可達5千米；多模光纖(SX)，最大鏈接距離至少550米；同軸電纜（CX），最大鏈接距離至少25米；超五類/六類線(T)，最大鏈接距離爲100米  。

10BASE2: 採用細同軸電纜接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 10.)

10BASE5: 採用粗同軸電纜接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 8.)

10BASE-F:採用光纖電纜接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 15.)

10BASE-T:採用電話雙絞線的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 14.)

100BASE-FX: 採用兩個光纖的IEEE 802.3 100Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clauses  24 and 26.)

100BASE-T2: 採用兩對3類線或更好的平衡線纜的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 32.)

100BASE-T4: 採用四對3、4、5類線非屏蔽雙絞線的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 23.)

100BASE-TX: 採用兩對5類非屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE  802.3 Clauses 24 and 25.)

1000BASE-CX: 1000BASE-X 在特製的屏蔽電纜傳輸的接口規格(參見 IEEE 802.3 Clause 39.)

1000BASE-LX: 1000BASE-X 採用單模或多模長波激光器的規格(參見 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-SX: 1000BASE-X 採用多模短波激光器的規格(參見 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-T: 採用四對五類平衡電纜的1000 Mb/s  物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 40.)

    

   這裏提到了各類規範，其實每一種規範對應的物理層都是不同的。

    

  咱們看一下1000BASE-X的物理層。

    下面是1000BASE-T的物理層。能夠看到1000BASE-T的自協商與1000BASE-X位置不同。

            

    

    二、MDI接口

        MDI就是鏈接PHY芯片和物理介質的接口，常見的是RJ45接口。

        百兆網時，MDI四根線，兩對差分信號，只用了RJ45的 1，2，3，6線，。

        千兆網時, MDI一共8根線，四對差分信號， 用了RJ45的8根線

        再說一下RJ45上的兩個燈—— 綠燈：長亮，表示鏈路完整。  黃燈：閃爍，表示有數據收發。

    三、PMD \PMA\PCS 層

       本來想介紹一下這三個層，但最後仍是放棄了，由於不一樣規範下，每一層都不同，很難統一介紹。筆者也未深刻研究。這裏簡述一下這三次完成的大體功能。

       PCS:    物理編碼子層。

       對於1000BASE-X採用了8B/10B編碼. 

       而對於1000BASE-T，則採用了PAM5編碼轉換方式。

        PMA: 如上圖能夠看出PMA層主要實現了串並轉換。

        PMD: PMD層主要負責將串行信號轉到相應的物理介質上。    

        以下補充4D-PAM5編碼方式的解釋：

        在通訊網絡中，接收端須要從接收數據中恢復時鐘信息來保證同步，這就須要線路中所傳輸的二進制碼流 有足夠多的跳變 ，即不能有過多連續的高電平或低電平，不然 沒法提取時鐘信息 。 百兆以太網100BASE-T用的 4B/5B 編碼與 MLT-3 編碼組合方式，發送碼流先進行 4B/5B 編碼，再NRZ-I，最後進行 MLT-3 編碼，最後再上線路傳輸；千兆以太網中1000BASE-X用的是 8B/10B 編碼與 NRZ 編碼組合方式；萬兆以太網用的是 64B/66B 編碼； PCIE 3.0 用的是 128B/130B 編碼。說到底這些編碼都是爲了從數據中恢復時鐘。

    四、自協商 Auto_negotiation

        自協商通常是在物理層完成的。可是具體在PHY的哪一層完成，由具體物理介質規範決定。基本原理就是將 自協商的信息經過一串脈衝序列發送出去，這串脈衝稱爲FLP。這串脈衝的特色以下。脈衝中分爲時鐘脈衝和數據脈衝，數據脈衝夾在時鐘脈衝中間，第一個脈衝爲時鐘脈衝，數據脈衝中正脈衝表示1，無脈衝表示0. 一個 FLP 脈衝序列包含 17 個時鐘脈衝， 16 個數據脈衝。時鐘脈衝每一個125us出現一次。

    

如下摘自華爲《以太網標準和物理層、數據鏈路層專題》其中主要是百兆網的自協商。千兆網也相似差很少，至關於增長了一些位定義。

快速鏈接脈衝（FLP）的信息編碼能夠分爲兩類，一類是基本鏈接碼字（基本頁），支持基本的信息的交換。另外一類是下一頁碼字，以支持附加信息頁的交換。

基本頁的信息編碼可由下圖表示。

圖 1-1  基本頁的信息編碼圖

選擇域（Selector Field）

S[0:4]用於標識自協商消息的類型。已定義的類型以下表所示，全部未列出的組合的意義均保留，保留的編碼組合目前不該在傳輸中出現。

自協商的類型含義

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

技術能力域（Technology Ability Field）

A[0:7]用於描述本端網絡接口所支持的各類工做模式。不一樣的選擇域類型對應不一樣的技術能力域定義。下面表格給出IEEE 802.3標準下定義的各類技術能力及其編碼。

自協商的技術支持域的含義。

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

        

   五、MII接口

    這裏我主要介紹一下RGMII接口。由於個人開發板是這個接口的。 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是Reduced GMII（吉比特介質獨立接口）。RGMII均採用4位數據接口，工做時鐘125MHz，而且在上升沿和降低沿同時傳輸數據，所以傳輸速率可達1000Mbps。

通常用於MAC和PHY之間的通訊。

發送器：

•  GTX_CLK——吉比特TX..信號的時鐘（125MHz）
  
•  TXD[3..0]——被髮送數據
  
•  TX_CTL——發送控制
  

注：在千兆速率下，向PHY提供GTX_CLK信號，TXD、TXEN、TXER信號與此時鐘信號同步。不然，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK時鐘信號，其它信號與此信號同步。其工做頻率爲25MHz（100M網絡）或2.5MHz（10M網絡）。

接收器：

• RX_CLK——接收時鐘頻率（從收到的數據中提取，所以與GTXCLK無關聯）
  
• RXD[3..0]——接收數據
  
• RX_CTL——接收控制
  
• COL——衝突檢測（僅用於半雙工狀態）
  
• CRS——載波監聽
  

管理配置（控制和狀態信息）：

• MDC——配置接口時鐘
  
• MDIO——配置接口I/O
  

RGMII接口相對於GMII接口，在TXD和RXD上總共減小8根數據線。

RGMII時序

以下圖

 

        

    

來自爲知筆記(Wiz)