以太网PHY芯片详解

news/2024/9/20 2:28:45/文章来源:https://www.cnblogs.com/bujidao1128/p/18415372

以太网PHY芯片详解

什么是phy

phy的基本作用

收到MAC过来的数据（PHY没有帧的概念，都是数据而不管什么地址数据还是CRC），进行处理，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。

实现CSMA/CD（多点接入载波监听/冲突检测)的部分功能，可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。

处理方法：

100BaseTX采用4B/5B编码（每4bit就增加1bit的检错码）
10BaseTX采用曼彻斯特编码

phy和switch在信号上的区别

PHY芯片，主要是将这些模拟信号进行解码，通过MII等接口，将数字信号传送出去。在解码的过程中，它只是做信号的转换，而不对数字信号进行任何的处理，即使一帧有问题的数据，它也会如实的转发出去。
switch芯片是对帧数据的内容做处理，更新MAC地址列表等等，是先有PHY后有switch。

一些需要注意的硬件连接

网络变压器（数据泵）

一颗CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于0V的(这取决于芯片的制程和设计需求)，但是这样的信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。

而且如果外部网线直接和芯片相连的话，电磁感应(打雷)和静电，很容易造成芯片的损坏。

再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。

把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而转换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。

因此，数据泵主要有以下几点作用：

传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；
隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备；
数据泵还能使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用，保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏（如雷击）。

phy的硬件配置方法

以88E1111为例，芯片上有6个管脚用于phy的硬件配置，如下图：

同时有一些用于显示当前连接状态的LED相关管脚，可在phy硬复位后以串行的方式发出一组由3个bit构成的编码，对应关系如下：

通过这种方式，可以通过硬件连接在phy硬复位后对phy进行配置，包括phy的地址、速率双工自协商功能、使用何种方式与mac连接、物理连接为光口还是电口、管理口的选择、是否使能光口电口自动切换等等的设置。具体内容可参考手册的Table31

其中，phy地址的配置仅能够通过硬件连接实现，无软件途径可修改，因此硬件设计时phy的地址一定要连对。

phy的配置

一般情况下，phy通过硬件配置即可正常使用，当存在一些特殊需求时可通过MIIM或I2C两种方式读写phy内置的寄存器，从而对phy进行配置管理。对phy进行软件配置时也可参考硬件配置的内容，这些内容涵盖了phy的主要功能。主要需要配置的是速率双工自适应、LED灯的显示方式、收发延时，其他配置可根据需求选择。以下内容均以88E1111为例。

LED灯的设置

phy芯片LED灯的设置可通过寄存器24更改。速率指示灯默认是一一对应的直接指示方式，可通过寄存器24[5:3]配置为组合指示方式。

用户可根据需求通过管理口自行设置。

速率双工自适应

88E1111 phy的速率双工自适应状态可通过硬件配置的ANEG一次性配置完全。也可通过软件写寄存器的方式进行修改。

自适应使能和关闭可通过软件修改寄存器0.12实现，需要注意的是，对0.12的修改只有在软复位或重启自协商后才能生效。
网口对外广播的自适应能力范围可通过寄存器4进行设置。
若关闭了自适应的使能，可通过寄存器0.6,0.8,0.13三位共同设置网口的强制速率和双工。同样的，对这三位进行修改后，也需要软复位或网口power down后再恢复，方可修改生效。

需要特别注意的是，强制千兆最好通过关闭十兆百兆广播能力的方式实现，而不是关闭自协商。这是802.3协议中建议的，目的是提高适配性。

千兆无法像十兆百兆一样强制的原因通过查找资料和测试猜测如下：

千兆协商的过程需要确定两端phy的主从关系，在关闭自协商的情况下，要求remote的主从设置与local不冲突。

收发延时使能

收发延时指在接收或发送数据时，将时钟延时2ns，使数据时钟呈现中间对齐，保证数据采样的准确性。

是否需要收发延时需根据对端具体情况设置，此项设置不可通过硬件配置实现，可通过设置寄存器20的1和7位实现。

当对端发出的数据为沿对齐时，则需要phy设置接收数据延时，否则不需要。
当对端接收数据没有设置接收延时时，需要phy设置发送延时，否则不需要。

光口、电口切换

88E1111可通过检测光、电口的能量，实现光电口的切换。

当光口连接，电口断开时，将建立光口连接；
当电口连接，光口断开时，将建立电口连接；
当光口，电口均有连接时，哪一个先建立稳定连接，则另一个自动power down，若稳定连接失效，则会自动power up。

光口电口的自动切换功能，可通过硬件配置中的一位：DIS_FC设置；也可通过软件配置寄存器27.15 实现。

通过查询寄存器27.13，可知当前连接为光口还是电口。

光口，电口的切换还可设置优先项。

例如：

设置优先光口连接后：

当电口比光口优先建立了稳定的连接，而光口上随后检测到了能量，则phy会放弃建立好的电口连接4s，让光口来建立连接。

这一过程必须由软件来设置，phy不可自动完成。当电口建立连接后，若软件查询到光口的寄存器17.4有活动，可根据需求，将寄存器26.11:10设置为光口优先，当光口建立好稳定连接后，再通过软件将寄存器26.11:10设置为00，则可实现上面的例子。

寄存器26.11:10

需要注意的是：

当设置了优先项时，另一个media的能量检测会失效，若想检测另一个media，需要将优先级设为No Preferrence
光口是否活动通过Signal Detect Pins（SD±）实现，用户需要使能外部光口能量检测，可通过将寄存器26.7置为1实现。

直连与交叉双绞线配置

双绞线内部由8根线组成，8根线分为4对，白橙和橙色线相互缠绕组成一对、白绿和绿色、白蓝和蓝色、白棕和棕色各组成一对。双绞线的两端各使用一个RJ45水晶头固定。

双绞线用RJ45水晶头固定之后，如下图所示：

RJ45水晶头中的8个槽位按上图所示的方式进行编号，每个槽位连接双绞线的一根线。直连线上，8根线并不是按照“白橙->橙->白绿->绿->白蓝->蓝->白棕->棕”的方式排列的，正确的排列方式如下：

交叉线的一端和直连线的线序一样，另一端则把1-2线对和3-6线对换了位置。这样，交叉线另一端的线序如下：

直连线的线序是TIA/EIA-568A线序；而交叉线一端是TIA/EIA-568A线序，另一端则是TIA/EIA-568B线序。

早期的以太网hub和计算机可以使用直连线建立连接，这是因为hub端口和计算机网卡的端口是不一样的。计算机网卡上，1和2线用来发送信号，3和6线用来接收信号。Hub端口上，情况恰好相反，1和2线用来接收信号，而3和6线用来发送。计算机网卡端口属于MDI端口，而hub端口则属于MDI-X端口。

早期的以太网hub上，通常有2类端口，即多个连接计算机的端口和一个uplink端口。用来连接计算机的端口是MDI-X端口，而uplink端口则是MDI端口。MDI和MDI-X端口之间，需要使用直连线；而相同类型的端口之间需要使用交叉线。

IEEEStd802.3i-199010Base-T标准提出了MDI和MDI-X的概念。后来，IEEEStd802.3u-1995标准定义的100Base-T4、100Base-TX都继承了这个概念。10BASE-T和100BASE-TX以太网中，4，5，7和8线没有使用。千兆以太网之后，MDI和MDI-X的含义发生了变化，千兆以太网会用到全部8根线，每根线上都同时进行收发。

现在，绝大多数以太网设备都支持AutomaticMDI/MDI-X，但是在IEEE802.3标准的百兆以太网章节中，并没有看到关于AutomaticMDI/MDI-X的描述。IEEEStd802.3的10M和百兆以太网的章节中，对线序的交叉（crossover）进行了说明。终端设备和中继设备对接时，建议在中继设备上实现crossover。如果对接双方都实现了内部的crossover，那么就需要在双绞线上作crossover。

在硬件配置时，其中一位是ENA_XC，代表了直连交叉网线的配置。