物理层器件PHY(Physical Layer Interface Devices)是将各网元集会到物理介质上的重要部件。讲求完成互连参考模子(OSI)第1层中的功能，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理集会所需的机械、电气、光电调治和规程技巧。其功能包括竖立、珍贵和撤消物理电路，达成物理层比特bit流的透明传输等。接续物理层的功能均被集成在一个芯片之中，本文主要先容了物理层的主邀功能和主要接口以及以太网PHY芯片是如何达成这些功能的。

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1、物理层(PHY)的结构

为了更好的呈文以太网物理层PHY芯片的主邀功能，咱们最初先容一下物理层的结构。物理层是OSI的第一层，它固然处于最底层，却是所有这个词这个词绽放系统的基础。物理层为开拓之间的数据通讯提供传输媒体及互连开拓，为数据传输提供可靠的环境。其功能：透明的传送比特流；

如图1所示，物理层包括四个功能层和两个层接口，四个功能层为：物理编码子层、物理介质集会子层、物理介质干系子层和自动协商子层；两个层接口为物理介质无关层接口（MII）和物理介质干系层接口（MDI），在MII的表层是逻辑数据链路层（DLL），而MDI的基层则径直与传输介质邻接，以太网物理层PHY芯片达成的功能便是上头所提到的四层和两个接口的功能。

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图1 物理层结构

2、以太网PHY芯片主邀功能

以太网中PHY芯片的种类宽敞，芯片撑执的物理层法度法度亦然多各种种，数据单板上使用PHY芯片是BROADCOM公司的BCM5248和MARVELL公司的88E1111，BCM5248撑执的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX法度法度，88E1111撑执10Base-T、100Base-TX和1000Base-T法度法度。

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这里主要先容了常用的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX法度下PHY芯片主要完成的功能，如图2所示。在10Base-T的法度下，发送数据的进程为由MAC层的数据最初经过Manchester编码，然后经过串并调治，调治后的串行码流经过NRZ编码，终末经过DAC调治后送到5类双绞线上去进行传输，给与数据进程相悖。

（1）在100Base-TX的法度下，发送数据的进程为由MAC层的数据最初经过4B/5B编码，然后经过串并调治，调治后的串行码流经过NRZI编码，NRZI编码后的数据还需要经过扰码和MLT-3编码，终末经过DAC调治后送到5类双绞线有时更高的电缆上去进行传输，给与数据进程相悖。

（2）在10Base-T的法度，发送数据的进程为由MAC层的数据最初经过串并调治，调治后的串行码流经过NRZ编码，再经过Manchester编码，终末经过DAC调治后送到5类双绞线上去进行传输，给与数据进程相悖。

（3）在100Base-FX的法度下，发送数据的进程为由MAC层的数据最初经过4B/5B编码，然后经过串并调治，调治后的串行码流经过NRZI编码，径直送到光纤上进行传输，给与数据进程相悖。底下将详备呈文各个子层和接口的功能。

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图2 在10Base-T/100Base-TX/100Base-FX法度下PHY芯片主要完成的功能

3、物理介质无关层接口(MII)

MII中意ISO/IEC8802-3和IEEE802.3法度的条款，撑执以太网数据传输速度为10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s或10Gbit/s。MII接口主要由与链路层之间的端口（MAC-PHY）和与站管束实体（STA: Station Management Entity）之间的端口（STA-PHY）两部分构成。

3.1 MAC-PHY端口

这是MAC与PHY器件之间的接口，包括同步收发接口和介质气象抑止接口。在介质气象抑止接口中有载波读出信号（CRS: Carrier Sense Signal）和碰撞检测信号（COL: Collision Detection Signal）等。

3.2 STA-PHY端口

STA-PHY当作MII接口的一部分，用于在STA和PHY器件之间交换干系抑止、气象和建立方面的信息。为此，ISO/IEC、IEEE法度了这个双线串行管束接口的干系条约及管束信息帧的结构和管束寄存器的法度。

(1) 管束寄存器

按法度，管束寄存器集（Management Register set）包括强制性“基本抑止”寄存器（Mandatory “Basic Control” Registers）、气象寄存器（Status Registers）和专用膨大寄存器ICS（Specific Extended Registers）几部分。

(2) 管束信号帧结构

管束接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的建立、抑止和气象数据，愚弄界说的寄存器集来达成PHY和STA的数据交换。STA不错启动所有这个词的处理功能。ISO/IEC、IEEE对串行管束数据流界说了干系管束帧结构和条约。

3.3 常用PHY芯片的MII接口

常用PHY芯片的物理介质无关层接口包括：

（1）媒质无关接口(MII: Medium Independent Interface)

（2）简化媒质无关接口(RMII: Reduced Media Independent Interface)

（3）串行媒质无关接口(SMII: Serial Media Independent Interface)

（4）源同步串行媒质无关接口(SS-SMII: Source Synchronous-Serial Media Independent Interface)

（5）千兆媒质无关接口(GMII: Gigabit Media Independent Interface)

（6）简化千兆媒质无关接口(RGMII: Reduced Gigabit Media Independent Interface)

（7）串行千兆媒质无关接口(SGMII: Serial Gigabit Media Independent Interface)。

具体每种接口的信号界说和数据发送时序在此就未几讲，本色责任进程中际遇某种接口查阅干系文档即可。接口详备云尔可参见本公众号上一篇著作《以太网接口硬件常识》。

4、物理编码子层(PCS)

物理编码子层PCS有两个对外接口，一是与MII的接口，二是与物理介质集会子层(PMA: Physical Medium Attachment Sublayer)的接口。PCS子层盲从ISO/IEC8802.3和IEEE802.3法度，物理编码子层的主邀功能包括对信号的编码译码、收发处理、管束和抑止等。这里可用100Base-TX速度来磋商PCS子层要完成的功能。

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4.1 PCS在100Mbit/s与10Mbit/s 下的责任口头

一般称10Base-T为以太网，100Base-TX为快速以太网，两者信号的速度，执行的条约以及罗致的传输介质均有所不同。PCS子层关于100Base-TX信号进行4B/5B编译码、扰码（Scrambled）和MLT-3编码，将信号交换为62.5MHz的三元数据，然后通过窒碍变压器送入5类双绞线电缆有时比5类双绞线电缆更好地电缆清爽中传输。关于10Base-T信号则需进行曼切斯特（Manchester）编译码和干系的处理。对100Base-TX信号和10Base-T信号处理的功能相比如表1所示。

表1 100Base-TX和10Base-T信号处理功能的相比

信号

称号

速度

条约

传输介质

信号主要处理进程

10Base-T

1.进入“北京市汽车流通行业协会”网站www.badia.cn

以太网信号

10

IEEE 802.3

3类UTP、STP

Manchester编码

100Base-TX

快速以太网信号

62.5

IEEE 802.3u

5类UTP、STP

4B/5B->扰码->MLT-3

4.2 PCS发送子层

这里磋商10Mbit/s和100Mbit/s两种情况。PCS发送子层的功能是编码、碰撞检测与并/串变换等。

4.2.1 100Mbit/s PCS发送子层

PCS发送10Base-TX的数据需要进行4B/5B编码，即是将4bit数据构成的奈培（nib）变换成由5bit数据构成的码字。4B/5B编码的野心便是将数据包的肇始符、帧扫尾、空载与抑止功能等标记皆编成码组进行传输。将4B码的nib映射入5B码字的进程是按IEEE 802.3法度法度进行的。

每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit)暗意帧前序（Frame Preamble）。PCS将前二个奈培用数据流肇始标帜符/J/K/代替，并在帧扫尾时加入数据流扫尾标帜符/T/R/，用于暗意包的扫尾(ESD: End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器相通在包之间填充圮绝空信号（Idle Period）。用圮绝空（Idle）标记达成数据流的一语气性。表2即是4B/5B编码表，编码后的标记送入后头的扰码器。

表2 4B/5B编码表

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PCS发送的子层4B/5B编码，有32种5bit的编码组合，其中16种5bit组合用于暗意原16捉nib(4bit)的组合；另16种5bit组合，IEEE法度界说了6种用于抑止使用的组合，还有10种觉得作歹的组合。IEEE界说的6种抑止码组是：

（1）/H/暗意一个发送错误；

（2）/I/暗意一个IDLE空载；

（3）两个码组暗意数据流肇始美艳符（SSD）；

（4）/J/和/K/；

（5）两个码组暗意数据流扫尾标帜符（ESD）；

（6） /T/和/R/；

4.2.2 10Mbit/s的PCS发送子层

按ISO/IEC、IEEE法度的条款，10Mbit/s的PCS发送子层罗致Manchester编码，即愚弄数据与时钟相“异或”，使数据每bit的前一半CLK取数据的补码，后一半CLK取数据的原码，从而保证跃变沿老是发生在每bit的中央处。Manchester编码器在数据包扫尾后加入一个肇始空脉冲（SOI: Start of Idle Pulse）。在编码进程中包与包之间的圮绝则不进行编码，由链路脉冲填充。Manchester编码进程的时刻关系如图3所示。

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图3 Manchester编码进程的时刻关系图

从MAC/Repeater接口来的4bit的nib流或串行bit流，愚弄Manchester编码进行编码。编码的逻辑是：

（1）二进制NRZ数据“1”

当码元（bit）周期前半周期时取负值；

当码元（bit）周期后半周期时取正好。

（2）二进制NRZ数据“0”

当码元（bit）周期前半周期时取正好；

当码元（bit）周期后半周期时取负值。

使用Manchester编码的优点，一是每个bit周期可有一编码时钟；二是不必谈判数据自己是“0”已经“1”，加多了数据的跃变沿。但它的裂缝是编码后的数据率加多了一倍。

PCS子层还可完成碰撞检测，即在数据传输和吸收同期发生时，需按法度法度和笔据责任口头进行处理。在半双工责任口头下，发生碰撞时产生检测信号（COL: Collision Detection Signal），而在全双工责任口头下，不产生COL。

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4.3 PCS吸收子层

4.3.1 PCS吸收子层的功能

PCS吸收子层主要完成以下功能：

（1）串/并变换；

（2）载波检测；

（3）4B/5B或Manchester译码；

（4）码构成帧。

即PCS吸收子层气象机一语气吸收从PMA来的数据，将其由串行变换为并行，以及成帧和译码，之后送到MAC/Repeater接口。吸收气象机则在吸收和数据气象判断之间进行调治并一语气这个进程，直到发生下述情况之一时为止：

（1）数据流扫尾标帜符（ESD，即/T/R/标记）；

（2）有错误发生；

（3）过早扫尾（空号）。

依据ESD，吸收气象机复返到Idle气象时，ESD并莫得被送入MAC/Repeater接口，因此检测出的错误将迫使吸收气象机宣告吸收错，并恭候后头标记。若吸收气象机检出“过早扫尾信号(Premature end)”，相通也要宣告吸收错，而复返Idle气象。

4.3.2 100Mbit/s的PCS吸收子层4B/5B译码

由于从双绞线对输入的数据在发端进行了4B/5B编码，因此在吸收端必须愚弄4B/5B译码器进行译码，行将5B码组映射成4B码。4B/5B译码器的输入来自解扰器(Descrambler)。按表3所示，将5bit码组变换为4bit的nib。4B/5B译码器应最初将SSD帧符（/J/K/标记）撤消并用两个4B数据“5”nb(/5/标记)来代替，对ESD帧符（/T/R/标记）也需要被撤消并用两个4B数据“0”nib（/I/标记）代替。

表3 4B/5B标记译码表

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4.3.3 10Mbit/s PCS吸收子层Manchester译码

Manchester译码器将从双绞线对吸收到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载运转脉冲(SOI: Start of Idle)撤消。在发送端，NRZ数据被Manchester编码，即数据和时钟相异或。在吸收端，数据再次和时钟相异或，就不错回复出原始数据。图4、图5即为ML2653型10Base-T物理接口芯片发收Manchester信号编译码的定时图。

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图4 发送系统定时图

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图5 吸收系统定时图

PCS子层提供CRS载波检测信号（Carrier Sense Signal）和碰撞检出信号（Collision Detection Signal），用这两个抑止信号达成对MII接口的抑止与管束。

5、物理介质集会子层(PMA)

PMA与PCS及PMD子层邻接，因此必须有两个接口：一个是到上边PCS子层的接口，另一个是到下边PMD子层的接口。PMA子层主邀功能是：

(1) 链路监测(Link Monitoring)；

(2) 载波检测(Carrier Detecting)；

(3) NRZI编/译码(NRZI En-coding/Decoding)；

(4) 发送时钟合成(Transmit Clock Synthesis)；

(5) 吸收时钟回复(Receive Clock Recovery)；

5.1 PMA发送子层

PMA发送子层(PMA Transmit Sublayer)从PCS子层吸收串行比特流何况将其变换为NRZI体式(10Mbit/s不必)，然后将其送入物理介质干系子层(PMD)。

PMA使用数字锁相环(PLL)合成时期，从时钟法度接口获取需要发送的时钟脉冲，并笔据法度时钟接口的安排，获取不同的发送时钟值。

在PMA发送子层需进行NRZI（Non Return to Zero Inverter）编码，这是一种两电平的单极性（O和V）编码。用两电平之间的跃变暗意数据“1”，无跃变暗意“0”。在这里NRZI编码为将数据变换成MLT-3编码作了准备。具体实举例图6所示。

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图6 NRZI和MLT-3编码波形实例

5.2 PMA吸收子层

PMA吸收子层主要完成底下两个功能：

(1) NRZI译码(NRZI Decoding/10Mbit/s不必): 行将从PMD子层吸收的串行bit流进行NRZI译码，并将其变换成单极性的二进进PCS子层。

(2)吸收时钟回复(Receive Clock Recovery): 即吸收时钟回复是由PLL完成的，此PLL锁定于从PMD子层吸收条串行数据流上。PLL自动同步于串行数据流并从中索求时钟，终末将回复时钟和NRZI译码后的数据流送到PCS子层。

当PMA吸收子层莫得检出任何吸收信号时，PMA愚弄发送时钟当作PLL的参考法度时钟。在100Base-TX信号情况下，回复出25MHz的时钟。而在10Base-T信号往往钟信号则是2.5MHz。

PMA吸收子层的链路监视功能(Link Monitoring Function)不错来监视吸收时钟PLL。若吸收时钟PLL莫得拿获锁定的串行数据流，则产生一个错误信号。在一般情况下，PMA链路监视功能块是一语气统计与其集会的链路气象。若莫得检出吸收信号有时PLL误帧，则宣告吸收通谈错误。

6、物理介质干系子层(PMD)

这里主要先容100Base-TX速度下的双绞线对物理介质干系天的子层(TP-PMD：Twisted-Pair Physical Media Dependent)。按照ISO/IEC IEEE的法度，100Base-TX TP-PMD具有对数据流扰码、解忧码、三电平、多跃变沿MLT-3编译码功能及对吸收信号进行直流回复和自血压计匀衡。

6.1 数据流的扰码器/解扰器

在接续情况下，数字传输系统的鲁棒性(Robustness)依赖于数字信号源的统计特质。举例，吸收时钟是从吸收数据索求得来的，长串“0”和“1”可能引起同步的丢失。为了使定时回复电路处于同步气象，数据信号必须包含满盈的跃变沿。

IEEE 802.3u条约允许出现一些重叠的数据图形，这些重叠的数据图形在清爽信号的功率频谱密度散布中出现能量峰值，其不一语气的频谱重量是无益的，必须将其扼制掉。愚弄扰码(Scrambling)时期膨大这些图形从而扼制掉这些不一语气峰值重量达20dB~25dB。这是因为在一定周期时刻内信号数据的立地性使得数据信号有均匀功率输出。这么，峰值能量被排除，从而改善了发送性能。

在发端TP-PMD子层对4B/5B编码信号进行扰码。扰码器(Scrambler)将平凡的NRZ bit流愚弄键控、模2加的体式产生一个被扰码的数据流。其责任进程是：一个11bit的线性反映移位寄存器(LFSR: Linear Feedback Shift Register)的输入是第11bit和第9bit的模2加(Exclusive-OR)，移位寄存器中至少包含有一个非零bit，其产生的伪立地序列不错与需要扰码的信号相加，终末获取已扰码的信号（10Mbit/s不必扰码）。

解扰器(Descrambler)的作用是将被扰码的数据进行解扰，回复成原NRZI数据信号。在数据解扰前，应最初达成解扰器同步，一朝竖立了解扰器同步，在给定的时间内，唯有检出满盈扰码空载图形“1”的个数，即在1ms时刻内至少应检出25个一语气解扰空信号“1”，就能保执同步气象。若在1ms时刻内莫得检出25个一语气解扰空信号“1”，则解扰将失步，而需要重新竖立同步进程。

6.2 100Base-TX MLT-3编码器/译码器

MLT-3清爽编码(MLT-3 Line Code)用于使用电缆介质的快速以太网。MLT-3是一种三电平双极性编码(+V、0和-V)，用两电平之间的跃变沿来暗意“1”，而无跃变沿暗意“0”。这里，MLT-3的最高基频是NRZI的一半。使用MLT-3编码可使高经常谱能量移向低于30MHz的旯旮区。与NRZI相比，MLT-3编码90%以上的频谱能量在40MHz以下，而NRZI则在70MHz以下。这么，在换取数据率下，不条款有更高带宽的传输介质。

MLT-3编码器将从扰码器来的NRZI扰码信号(NRZ)变换为三电平MLT-3编码信号；MLT-3译码器则作反变换恢收复NRZI扰码信号。在这里从中索求了时钟，并愚弄此时钟进行译码。

6.3 直流回复(DC Restoration)

在100Base-TX数据流的扰码和MLT-3的编码中，可能存在一定长度的连“1”或连“0”序列，使得数据流中产生直流重量，变压器的隔直也会引起信号“基线”的漂移，即“基线”信号从其平素额定直流值出动或漂移，而不利于吸收机关于噪声的扼制特质，因此需要回复信号原直流重量。

6.4 自顺应平衡器(Adaptive Equalizer)

当数据在电缆中传输时，由于色散特质，将会导致信号失真和码间打扰(ISI: Inter Symbol Interference)，因此在吸收机中必需采选方法将进来的失真和码间打扰信号回复成原信号。失确切产生依赖于信号的频谱和介质环路的长度。由于在大量情况下，双绞线对(TP)端口的特质是未知的，何况每个端口条款平衡的特质也不换取，因此，在TP-PMD法度中，建议了使用自顺应平衡器恢收复信号的条款，以保证对吸收信号进行得当的赔偿。自动平衡的体式之一是监视吸收信号的能量，用以详情传输介质的长度，并据此诊治平衡器的性能。因为，吸收信号的幅度与传输的缆长是成正比的，是以若信号电平裁汰，则会加多平衡的总量，而便于赔偿信号在清爽中的亏欠。

6.5 双绞线对辐照机

一般的双绞线对辐照机(Twittered-Pair Transmitter)编码器、波形发生器以及传输介质清爽驱动器所构成。波形发生器给与MLT-3编码波形，并使用一个电流源交换阵列来抑止输出信号飞腾/下跌沿的时刻和信号的幅度电平。为了平滑此电流型信号输出和撤回高频重量，需通过一个低通滤波器，使发送的输出波形中意干系脉冲样板的法度。电流驱动型差动驱动器将平滑后得当条款的波形变换为不错驱动10m、100欧姆的5类非屏蔽双绞线电缆或100m、150欧姆屏蔽双绞线电缆的电流输出。终末与传输介质的接口是一个窒碍变压器。

6.6 双绞线对接射机

一般双绞线对吸收机被制作成通用模块，通过一个窒碍变压器与传输介质集会。从双绞线对(TP)输入的信号最初参加自顺应平衡器，在这里关于缆的低通特质进行赔偿，接着参加“基线漂移革新电路”回复由变压器隔去的波形直流重量。相比器将平衡后的信号变换回原数字电平供“镇噪电路(Squelch Circuit)”使用。MLT-3译码器吸收从相比器来的三电平MLT-3信号何况将其变换为旧例数字数据，用来往复时钟和数据。其全进程如图7 所示。

6.7 自动极性革新与窒碍变压器

一般的100Base-TX莫得极性问题，然则自动协商(FLP)关于极性是相比忠良的。自动极性革新(Auto Polarity Correction)功能主如若应用于10Base-T责任模样，接续愚弄法度链路脉冲(NLP: Normal Link Pulses)检会信号极性，从而革新反向的信号极性。

ISO/IEC8802-3、IEEE802.3法度条款要通过窒碍变压器(Isolation Transformer)与电缆传输介质集会。而典型的磁性器件模块包含两个窒碍变压器，一个用于双绞线对辐照机，另一个用于吸收机。通过这两个窒碍变压器与传输介质物理窒碍和交流耦合。

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7 自动协商子层(AUTONEG)

7.1 自动协商子层功能

自动协商子层(AN: Auto-Negotiation Sublayer)接续有以下功能：

（1）详情在链路段介质或电缆集会的另一端开拓所具有的能力；

（2）晓示远端链路开拓中上述能力；

（3）与链路远端开拓交换互相表征时期能力的数据参数，何况与远端链路开拓竖立条约，自动聘请共有的最高性能责任口头。包括责任速度(10/100/1000Mbit/s)、传输介质和半/全双工口头。

自动协商功能是在竖立链路两头开拓中聘请共有的最高性能责任的口头，其算法和链路圆善性算法的区别在于：法度链路圆善性算法仅用于竖立战斗远端开拓的行径链路，而自动协商算律例是在聘请两头共有的最高性能后，还要竖立战斗远端开拓的激活链路。

7.2 自动协商子层的启动

在以下事件之一发生时，需启动自动协商功能算法：

（1）开拓选通自动协商功能；

（2）开拓参加链路故障(Fail)气象；

（3）自动协商复位。

在ISO/IEC 8802-3法度的附录28B中，列出了各种时期的优先权端正，如下所示：

（1）100Base-TX全双工（最高优先权）；

（2）100Base-T4；

（3）100Base-TX半双工；

（4）10Baed-T全双工；

（5）10Base-T半双工（最低优先权）。

一般地说，自动协商执行的进程要小于500ms，这与对端完成自动协商链路的能力无关。自动协商进程的监视器不错监视自动协商进程和链路是否竖立。

记忆

PHY物理层器件应中意CSMA/CD以太网ISO/IEC 8802-3的法度条款。前边诀别详备描摹了MII接口、物理编码子层(PCS)、物理介质集会子层(PMA)、物理介质干系子层(PMD)以及自动协商(Auto-Negotiation)功能和旨趣。现将各部分功能轮廓于表4之中，以进行相比。

表4 以太网物理层PHY芯片功能表

MII

PCS

PMA

TP-PMD

AUTONEG

MDI

接MAC/PHY端口；接STA/PHY管束端口

4B/5B编译码

（100Mbit/s）;

碰撞检测；

串并调治；

Manchester编译码（10Mbit/s）;

MAC/Repeater接口抑止

链路监测；

载波监测；

NRZI/NRZ编译码（100Mbit/s）;

时钟合成/回复

扰码/解扰（100Mbit/s）;

NRZI/MLT-3编译码（100Mbit/s）;

直流回复；

自动极性革新；

发送/吸收变压器窒碍

NLP链路圆善性（主要用于10Mbit/s）;

FLP自动协商

与传输介质邻接

起首：硬件电子工程师

温馨辅导：uG环球在线