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以太网笔记:快速以太网100Base-TX接口及编码

jf_EksNQtU6 来源:开心果 Need Car 2023-02-20 11:50 次阅读

整车的EEA(Electrical/Electronic Architecture,电子电器架构)中,以太网常用的通信速率有100MHz和1000MHz(1G)。 本文聚焦100M Ethernet的讨论。 100MHz的Ethernet也称为FE(Fast Ethernet,快速以太网),对于100MHz的以太网,汽车中,常用的又包括100BASE-T1和100BASE-TX,以太网的使用中,不知大家是否产生过这样的疑问:

FE的100MHz通信速率如何产生?

FE的100MHz通信速率与通信接口关系?

FE(100Base-TX)的编码规则?

带着这些疑问,本文基于100BASE-TX,展开聊聊。

1、MAC与PHY接口

uC的MAC(Media Access Control) Controller发送/接口Ethernet Frame需要依赖PHY芯片**(Phy**sical Layer,物理接口层)。 项目中,使用不同的速率的Ethernet,对应的PHY接口不同,如下所示:

poYBAGPy7iqAegIEAAIiX8-vkso319.png

如上图(TC3xx),PHY接口主要包括MII(Media Independent Interface)、RGMII(Reduced GMII)、RMII(Reduced MII)。 一般来说,uC大都会支持1000M Ethernet,但是,出于成本考虑,结合项目实际,会选用不同的PHY芯片,不同的PHY芯片型号,可能支持的Ethernet速率会不同。 比如:Realtek RTL8211F(I)/RTL8211FD(I) 可以兼容10Base-T, 100Base-TX,1000Base-TIEEE 802.3,而DP83825I只兼容10Base-T, 100Base-TX IEEE 802.3。 所以,在使用Ethernet的MAC接口时,需要先确认PHY能兼容的接口有哪些。

(一)DP83825I与MAC之间的信号线

PHY(DP83825)与MAC、RJ45之间的物理连接关系如下所示:

poYBAGPy7iqAAl2GAAGANSqDjGQ361.png

本文主要讨论100M Ethernet,而DP83825I兼容的PHY接口为RMII。 RMII接口由7根信号线外加一个时钟参考线。

TXD[1:0]:数据发送信号,共2根信号线;;

RXD[1:0]:数据接收信号,共2根信号线;

TX_EN(TransmitEnable):数据发送使能信号;

RX_ER(ReceiveError):数据接收错误指示信号(可选);

CLK_REF:外部时钟源提供50MHz参考时钟,由PHY芯片提供给MAC。

CRS_DV:此信号是由MII接口中的RX_DV和CRS两个信号合并而成。

以DP83825I为例,PHY、MAC的接口连接如下所示:

poYBAGPy7iqAZU3BAACwLhz8EgQ473.png

如上图,TC3xx的GETH MAC如果与DP83825I PHY能正常通信,不使用Rx_CLK、RX_DV,RX_ER可以选用。

DP83825I PHY中使用的通信信号线示意如下:

poYBAGPy7iuAcyfSAAHkv0K4tow587.png

2、FE(100Base-TX)的100MHz通信速率如何产生?

两个ECU使用100Base-TX的以太网通信连接示意如下所示:

pYYBAGPy7iqAIb4FAADliChs2TM166.png

对于RMII接口,参考时钟为外部时钟,时钟频率50MHz,收/发过程中,均使用两条数据线,因此,传输速率100MHz(2 * 50MHz)就是这么来的,即:一个Clock可以传输2个bit。 这里的100是指PHY从MAC接收/发送的速率,实际总线上传输的interwetten与威廉的赔率体系 信号(差分信号)带宽并不是100MHz。 模拟信号带宽不是100MHz,是多少呢?答:模拟信号的速率与以太网的编码格式有关。

3、FE(100Base-TX)的编码规则

100BASE-TX使用4B5B、NRZI(Non Return Zero Inverted Code,反向不归零编码)、MLT-3(Multi Level Transmit,多电平传输)方法进行编码和解码,进而生成差分电压。

(一)4B5B编码

MAC会通过多条发送数据线(Tx_D[n])将要发送的信息并行发送给PHY,PHY收到数据以后,先进行串行序列化处理,之后进行4B5B编码。

4B5B编码就是使用5Bit表示4Bit(实际要发送的数据),即:在4bit待发送数据中插入0或者1构成5bit。 4Bit数据,可以构成2^4 = 16种组合,而5bit,可以构成2^5 = 32种组合,所以会有一部分5bit组合用于控制。

4B5B对应编码、解码表如下所示:

pYYBAGPy7iqASSTCAAHCeVAa3kU570.png

示例:PHY收到MAC发送的数据0000 0001,经过4B5B编码后,变成11110 01001,如下所示:

pYYBAGPy7iuANJ-5AABn1LU6DJs062.png

经过4B5B编码以后,编码效率降低,因为插入了一个无效bit,编码率 = 4/5 =80%。

PHY从MAC端接收数据时,速率是100Mbps,经过4B5B编码后,数据带宽变成125MHz,如果使用5类非屏蔽双绞线(UTP)传输,不可行,因为5类非屏蔽双绞线最高支持 100MHz 的数据带宽。 所以,数据经过4B5B编码后,需要使用其他方式降低带宽,以便于使用5类非屏蔽双绞线(UTP)传输数据。 100Base-TX常用降低带宽的方法有哪些呢?答:本文讨论NRZI和 MLT-3组合的方式。 即:先用NRZI,将带宽降低一半(62.5MHz),再经过MLT-3编码,带宽进一步降低一半(31.25MHz)。

(2)NRZI编码

理解NRZI之前,我们需要先理解RZ(Return to Zone,归零编码)。

RZ编码规则:正电平表示逻辑1,负电平表示0,每次传输一个逻辑电平后需要返回零电平。

eg:RZ方式传输1011数据时,电平变化如下所示:

poYBAGPy7iqAPaFzAABhShveE4U891.png

对于RZ,每次操作都需要归零处理,增加了带宽,因此,又提出了NRZ(No Return to Zone,非归零编码),即:高电平表示1,低电平表示0。

eg:NRZ方式传输1011数据时,电平变化如下所示:

pYYBAGPy7iuAcahhAABjxaufyg8327.png

但是,使用NRZ方式,虽然不浪费带宽,但是,当传输的数据中,出现连续1或者0时,接收端会因识别不到电平变化可能采样错误,即:无法与发送端进行时钟同步。 所以,又进一步的引入了NRZI编码方式,你可能会说:NRZI也没有同步的能力。 如果发送端先发送一个同步包,接收端即可进行同步,而100Base-TX采用双绞线差分传输,适合使用此方式。

NRZI的编码规则是什么呢?答:0表示电平有反转,1表示电平没有反转。

eg:NRZ、NRZI方式传输1011数据时,电平变化对比如下所示:

pYYBAGPy7iqAJR9ZAACEIxYP6w8247.png

(三)MLT-3编码

MLT-3编码使用3个电平(正电平、负电平、零电平)编码要传输的数据,MLT-3的编码规则:

1、如果下一输入为“0”,则电平保持不变;

2、如果下一输入为“1”,则产生跳变,此时又分两种情况。

如果前一输出是“+1”或“-1”,则下一输出为“0”;

如果前一输出是“0”,其信号极性和最近一个非“0”相反。

eg:MLT-3方式传输1011数据时,电平变化对比如下所示:

pYYBAGPy7iqAG8t4AACMkdL2V_g098.png

审核编辑:汤梓红

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原文标题:以太网笔记:快速以太网100Base-TX接口及编码

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