3.1 TI 高精度实验室-以太网：什么是以太网PHY？

欢迎观看这段由高精度实验室 制作的关于以太网的演示视频。

在本课程中，我们 将会花几分钟时间

了解以太网物理层 收发器，也称为

PHY。

在这段视频中，我们将 介绍以下主题。

如何在典型的应用 电路中连接 PHY、

PHY 的通用 子功能细分以及

每一项子功能的作用。

此图表显示了 以太网物理层

连接的基本 系统级实施。

PHY 位于 媒体访问控制器 (MAC)

器件与网络连接之间。

MAC 器件可以是 微控制器、处理器、

FPGA 或以太网交换机。

与 MAC 层之间的 连接称为媒体

独立接口，即 MII。

IEEE 802.3 标准中定义了

此接口的不同版本，

并减少了信号线路数、 提高了数据速度，

或者两者兼而有之。

支持的数据速度 包括 10、100、1000 兆位/秒

甚至更高。

术语 XMII 是多个版本的

MAC 接口的统称。

为了支持更高的 速度并降低时钟

要求，可以使用 多个数据通道。

MAC 接口也可能包含发送和

接收时钟以及 其他状态信号，

具体情况同样也取决于版本。

PHY 与 MAC 器件之间 还可能存在另一个

连接，我们在此图表中 将它显示为 SMI，

代表基站 管理接口。

这是 IEEE 802.3 标准中 指定的一个

两线制通信 端口，它允许系统

控制器或 MAC 通过访问自己的

内部寄存器来管理 PHY。

PHY 的网络连接 称为媒体相关

接口，简称 MDI。

与 MII 不同，MDI 的 信号特性

取决于物理 通道的性质，即

铜缆或光纤。

PHY 通常提供 通用输入输出引脚，

即 GPIO， 它们通常可以

用于驱动 状态 LED

或访问其他 内部信号。

当用作 LED 驱动器时， 它们能够

以可视化方式 显示链路状况，

例如速度或状态。

PHY 需要使用 外部时钟源，

此外部时钟源可以是 25 兆赫兹晶体，

也可以是由另一个器件 提供的 15 兆赫兹时钟。

在考虑到所有 误差源的情况下，

这两种时钟源的 误差都必须达到

最低频率精度 ±100PPM。

其他高精度实验室 以太网相关课程中

会介绍关于时钟 XMII、 SMI 和 MDI 的

一些详细信息。

IEEE 802.3 标准定义了 三个组成 PHY 的

主要功能块或子层。

这些层包括 物理编码子层，简称 PCS。

PCS 的主要功能是 对数据进行编码和解码。

例如，100BASE-TX 会将来自 MAC 接口

并准备通过网络传输的

四位数据编码为

5 位数的块代码。

因此，通过此通道 传输的实际数据

速率将是 125 兆位/秒。

使用块代码 有助于在接收器处

恢复时钟和提供 用于进行关联管理的

其他代码。

物理介质连接子层 简称 PMA，

具备将位映射至符号、

确定链路状态、 恢复时钟和

检测错误事件等功能。

物理介质相关子层 简称 PMD，

它实现的功能 允许 PHY 以

物理方式 连接到网络，

铜缆和光纤均可。

每个层都既包含发送路径， 也包含接收路径。

PCS 块负责 接收和传回

数据。

PHY 中总是 包含 PMA 功能，

但可能不包含 PMD 功能。

这是由 MAC 支持的 以太网标准的版本

所决定。

在某些版本的 标准中，

PMD 功能 包含在 PMA 中。

无论如何，这些块 都是用于连接到

物理介质的接口。

它们提供的服务 可以在接收路径

将电信号或 光信号转化为位，

并在发送路径 将位转换为电信号

或光信号。

尽管此处的图表 单独显示了物理

介质中的发送 通道和接收通道，

但物理介质实际上 是由 RX 和 TX 共享的。

在这种情况下， PMA 和 PMD 中的

混合和回声消除 功能使 PHY 能够

在发送数据的同时 成功通过链路接收数据。

最后，物理介质 可能包括多个

并行的物理通道， 这些通道能够

以更高的 速率发送和

接收数据。

例如，1000BASE-T 使用 四个双绞线通道

A、B、C 和 D，它们 都支持 250 兆位/秒的

速率，可实现总计 1 千兆位/秒的数据速率。

物理编码层简称 PCS，

可以为 MAC 层和 PMA 提供不同的服务。

它主要负责对 通过链路传输的

数据进行编码和解码。

PCS 交换机 可通过 XMII 接口

向/从 MAC 层发送和接收 数据及其他控制信号。

此处的 PHY 与 MAC 之间的发送

和接收数据 路径分别标记为

TXDn0 和 RXDn0， 它们的宽度值可能是

1、2、4 或 8 位， 具体取决于总计数据

速度。

PCS 的功能 还包括监视

发送和接收 路径，以确定

网络接口 何时处于活动状态。

如果存在冲突， 则会使用 COL 信号

告知 MAC 层 发生了冲突。

它支持低功耗 模式，前提是通过

处理空闲代码组进行实施。

PCS 的接收路径 从 PMA 接口

接收数据， 并实际

反转 PCS 和发送 节点对数据的

处理操作。

它会将收到的 代码组解码为

原始数据包位。

根据适当的数据 解码和恢复操作

是成功还是失败， 收到的块会

断言是 RX DV 信号以表明

它正在将有效的 数据转发给 MAC，

或者断言是某种 RXER 信号 以表明它在数据中检测到了错误。

PHY 的时钟 恢复功能

用于将其 接收器位

时钟与负责发送的 PHY 的位时钟同步。

这对于了解何时 执行回送测试至关重要。

如果正确编码和 解码了所有的数据，

那么收到和发送的 数据包的数量

应当相同，而且 没有出现任何错误。

在某些版本的 IEEE 802.3 标准中，

还会对数据 进行换序。

物理介质连接子层简称 PMA，

其主要功能是将 接收自 PCS 子层的

已编码传输位流 转换为适当的数据

符号以便通过 网络介质进行传输，

并将来自网络的 传入数据符号转换为位，

然后将这些位 传递到 PCS 子层。

PMA 子层还会在 收到的位流 RXK 中

了解链路是否从空闲状态 过渡到其他状态，从而

执行载波检测。

当检测到 此过渡时，

它将寻找 流定界符起点，即 SSD。

一旦检测到单调栈， 它会向 PCS 子层表明

执行了载波检测。

如果 PMD 子层报告了 信号状态，

它还会监视该状态。

如果在 PHY 中 实现了自动协商

功能，PMA 子层将与

单调栈协调 并将所显示的

链路状态 设置为相应的值，

同时还会挂起自动协商 状态，然后将此值传递给 PCS。

否则，它会根据 PMD 指示的

信号状态来设置 链路状态。

如果 PHY 不支持 自动协商功能，

它可能具有 可选的远端

故障检测功能。

如果 PHY 在 接收通道中

检测到物理错误状况， 它会生成一个故障指示

并将其插入到 TX 通道流中。

如果在 RX 通道中 收到一个外部

故障指示， 这是一种特殊的信号模式，

它将开始传输 一个空闲符号

图案，以便坚决 要求重新建立

正常通信。

请注意，如果 PHY 能够自动协商，

将不支持 远端故障检测。

PMA 实现的 可选功能

还包括从 已存在 PMD 生成

指示和载波 区域并感应

接收通道故障， 然后发送或检测

远端故障指示。

这对于 PHY 上执行的 任何调试操作都非常有用。

PMA 正常发挥作用 非常重要，因为

它需要通过 合规性测试。

最后，请注意， 对于使用多根双绞线的

各个版本的标准， 例如 1000BASE-T，

将存在一个采用 一对一映射的符号流。

例如，1000BASE-T 使用 四根双绞线，它们

分别被指定为通道 A、B、C 和 D。 PHY 中实施的

简称 PMD 的 物理介质相关子层主要

负责将 TX 符号转换为

用于网络介质的

适当物理信号。

它还会在 接收路径中

将收到的路径信号 转换为 RX 符号。

PHY 不一定 具有 PMD 功能。

是否使用 PMD 功能由 PHY 所实施标准的

具体版本决定。

此标准定义了 可适应某些

介质和电缆 类型的系统。

在 IEEE 802.3 标准的 某些修正案中，

例如 IEEE 802.3bw， 也称为 100BASE-T1，

并未定义 PMD， 因为此标准只支持

单根铜双绞线。

在这种情况下， PMA 将负责在符号

与信号之间进行转换。

1000BASE-T 也是如此。 1000BASE-TX 定义了

PMD 功能，但 1000BASE-T 未定义此功能。

PMD 有助于 对介质进行调试，

因为它是负责 连接到物理介质的

物理层。

对于目前 唯一使用

铜双绞线的 网络接口，

以电流形式传输的 信号是差分值。

所用信号类型的示例

包括使用 MLT3 的 100BASE-TX、 使用 PAM5 的 1000BASE-T

和使用 PAM3 的 100BASE-T1。

MLT3 和 PAM5 的示例 在此显示为理想信号。

此处所示的 符号值是

相对值，而不是 相应的 IEEE 802.3

修正案中定义的

实际电压电平。

实际电压 也是差分值。

例如，T 的 V 差分值等于 TX

正极电压减去 TX 负极电压。

后续视频将介绍

有关各类信号的 更多信息和详情。

如果网络 使用的是铜缆，

差分信号 通常被驱动到

100 欧姆的 双绞线差分

阻抗中。

此处列出的 IEEE 802.3 规格条款

包含有关 PHY 中的 PCS、PMA 和 PMD 功能的详细信息，

并按链路速度将这些功能细分。

此处显示的 100 BASE-X 代表

100 兆位/秒规格的 铜缆 100 BASE-TX

版本和光纤

100 BASE-FX 版本。

对于铜缆和光纤， PCS 和 PMA 功能相同，

因为它们 都与介质无关，

标准第 2 部分的 第 24 条说明了这两种功能。

由于 PMD 取决于 物理介质，

因此使用两个不同的 条款来分别说明铜缆和

光纤版本：第 25 条 适用于铜缆，

第 26 条适用于光纤。

IEEE 802.3 的第 3 部分 涵盖了各种版本的

1 千兆位/秒以太网。

第 40 条 说明了 1000BASE-T，

第 36 到 39 条 说明了长波长和

短波长光纤版本

以及短距离铜缆。

感谢观看 高精度实验室

制作的关于以太网 物理层收发器的此课程。

要查找更多以太网 技术资源和搜索

TI 的以太网 PHY 产品系列，

请访问 ti.com/ethernet。

欢迎观看这段由高精度实验室 制作的关于以太网的演示视频。

在本课程中，我们 将会花几分钟时间

了解以太网物理层 收发器，也称为

PHY。

在这段视频中，我们将 介绍以下主题。

如何在典型的应用 电路中连接 PHY、

PHY 的通用 子功能细分以及

每一项子功能的作用。

此图表显示了 以太网物理层

连接的基本 系统级实施。

PHY 位于 媒体访问控制器 (MAC)

器件与网络连接之间。

MAC 器件可以是 微控制器、处理器、

FPGA 或以太网交换机。

与 MAC 层之间的 连接称为媒体

独立接口，即 MII。

IEEE 802.3 标准中定义了

此接口的不同版本，

并减少了信号线路数、 提高了数据速度，

或者两者兼而有之。

支持的数据速度 包括 10、100、1000 兆位/秒

甚至更高。

术语 XMII 是多个版本的

MAC 接口的统称。

为了支持更高的 速度并降低时钟

要求，可以使用 多个数据通道。

MAC 接口也可能包含发送和

接收时钟以及 其他状态信号，

具体情况同样也取决于版本。

PHY 与 MAC 器件之间 还可能存在另一个

连接，我们在此图表中 将它显示为 SMI，

代表基站 管理接口。

这是 IEEE 802.3 标准中 指定的一个

两线制通信 端口，它允许系统

控制器或 MAC 通过访问自己的

内部寄存器来管理 PHY。

PHY 的网络连接 称为媒体相关

接口，简称 MDI。

与 MII 不同，MDI 的 信号特性

取决于物理 通道的性质，即

铜缆或光纤。

PHY 通常提供 通用输入输出引脚，

即 GPIO， 它们通常可以

用于驱动 状态 LED

或访问其他 内部信号。

当用作 LED 驱动器时， 它们能够

以可视化方式 显示链路状况，

例如速度或状态。

PHY 需要使用 外部时钟源，

此外部时钟源可以是 25 兆赫兹晶体，

也可以是由另一个器件 提供的 15 兆赫兹时钟。

在考虑到所有 误差源的情况下，

这两种时钟源的 误差都必须达到

最低频率精度 ±100PPM。

其他高精度实验室 以太网相关课程中

会介绍关于时钟 XMII、 SMI 和 MDI 的

一些详细信息。

IEEE 802.3 标准定义了 三个组成 PHY 的

主要功能块或子层。

这些层包括 物理编码子层，简称 PCS。

PCS 的主要功能是 对数据进行编码和解码。

例如，100BASE-TX 会将来自 MAC 接口

并准备通过网络传输的

四位数据编码为

5 位数的块代码。

因此，通过此通道 传输的实际数据

速率将是 125 兆位/秒。

使用块代码 有助于在接收器处

恢复时钟和提供 用于进行关联管理的

其他代码。

物理介质连接子层 简称 PMA，

具备将位映射至符号、

确定链路状态、 恢复时钟和

检测错误事件等功能。

物理介质相关子层 简称 PMD，

它实现的功能 允许 PHY 以

物理方式 连接到网络，

铜缆和光纤均可。

每个层都既包含发送路径， 也包含接收路径。

PCS 块负责 接收和传回

数据。

PHY 中总是 包含 PMA 功能，

但可能不包含 PMD 功能。

这是由 MAC 支持的 以太网标准的版本

所决定。

在某些版本的 标准中，

PMD 功能 包含在 PMA 中。

无论如何，这些块 都是用于连接到

物理介质的接口。

它们提供的服务 可以在接收路径

将电信号或 光信号转化为位，

并在发送路径 将位转换为电信号

或光信号。

尽管此处的图表 单独显示了物理

介质中的发送 通道和接收通道，

但物理介质实际上 是由 RX 和 TX 共享的。

在这种情况下， PMA 和 PMD 中的

混合和回声消除 功能使 PHY 能够

在发送数据的同时 成功通过链路接收数据。

最后，物理介质 可能包括多个

并行的物理通道， 这些通道能够

以更高的 速率发送和

接收数据。

例如，1000BASE-T 使用 四个双绞线通道

A、B、C 和 D，它们 都支持 250 兆位/秒的

速率，可实现总计 1 千兆位/秒的数据速率。

物理编码层简称 PCS，

可以为 MAC 层和 PMA 提供不同的服务。

它主要负责对 通过链路传输的

数据进行编码和解码。

PCS 交换机 可通过 XMII 接口

向/从 MAC 层发送和接收 数据及其他控制信号。

此处的 PHY 与 MAC 之间的发送

和接收数据 路径分别标记为

TXDn0 和 RXDn0， 它们的宽度值可能是

1、2、4 或 8 位， 具体取决于总计数据

速度。

PCS 的功能 还包括监视

发送和接收 路径，以确定

网络接口 何时处于活动状态。

如果存在冲突， 则会使用 COL 信号

告知 MAC 层 发生了冲突。

它支持低功耗 模式，前提是通过

处理空闲代码组进行实施。

PCS 的接收路径 从 PMA 接口

接收数据， 并实际

反转 PCS 和发送 节点对数据的

处理操作。

它会将收到的 代码组解码为

原始数据包位。

根据适当的数据 解码和恢复操作

是成功还是失败， 收到的块会

断言是 RX DV 信号以表明

它正在将有效的 数据转发给 MAC，

或者断言是某种 RXER 信号 以表明它在数据中检测到了错误。

PHY 的时钟 恢复功能

用于将其 接收器位

时钟与负责发送的 PHY 的位时钟同步。

这对于了解何时 执行回送测试至关重要。

如果正确编码和 解码了所有的数据，

那么收到和发送的 数据包的数量

应当相同，而且 没有出现任何错误。

在某些版本的 IEEE 802.3 标准中，

还会对数据 进行换序。

物理介质连接子层简称 PMA，

其主要功能是将 接收自 PCS 子层的

已编码传输位流 转换为适当的数据

符号以便通过 网络介质进行传输，

并将来自网络的 传入数据符号转换为位，

然后将这些位 传递到 PCS 子层。

PMA 子层还会在 收到的位流 RXK 中

了解链路是否从空闲状态 过渡到其他状态，从而

执行载波检测。

当检测到 此过渡时，

它将寻找 流定界符起点，即 SSD。

一旦检测到单调栈， 它会向 PCS 子层表明

执行了载波检测。

如果 PMD 子层报告了 信号状态，

它还会监视该状态。

如果在 PHY 中 实现了自动协商

功能，PMA 子层将与

单调栈协调 并将所显示的

链路状态 设置为相应的值，

同时还会挂起自动协商 状态，然后将此值传递给 PCS。

否则，它会根据 PMD 指示的

信号状态来设置 链路状态。

如果 PHY 不支持 自动协商功能，

它可能具有 可选的远端

故障检测功能。

如果 PHY 在 接收通道中

检测到物理错误状况， 它会生成一个故障指示

并将其插入到 TX 通道流中。

如果在 RX 通道中 收到一个外部

故障指示， 这是一种特殊的信号模式，

它将开始传输 一个空闲符号

图案，以便坚决 要求重新建立

正常通信。

请注意，如果 PHY 能够自动协商，

将不支持 远端故障检测。

PMA 实现的 可选功能

还包括从 已存在 PMD 生成

指示和载波 区域并感应

接收通道故障， 然后发送或检测

远端故障指示。

这对于 PHY 上执行的 任何调试操作都非常有用。

PMA 正常发挥作用 非常重要，因为

它需要通过 合规性测试。

最后，请注意， 对于使用多根双绞线的

各个版本的标准， 例如 1000BASE-T，

将存在一个采用 一对一映射的符号流。

例如，1000BASE-T 使用 四根双绞线，它们

分别被指定为通道 A、B、C 和 D。 PHY 中实施的

简称 PMD 的 物理介质相关子层主要

负责将 TX 符号转换为

用于网络介质的

适当物理信号。

它还会在 接收路径中

将收到的路径信号 转换为 RX 符号。

PHY 不一定 具有 PMD 功能。

是否使用 PMD 功能由 PHY 所实施标准的

具体版本决定。

此标准定义了 可适应某些

介质和电缆 类型的系统。

在 IEEE 802.3 标准的 某些修正案中，

例如 IEEE 802.3bw， 也称为 100BASE-T1，

并未定义 PMD， 因为此标准只支持

单根铜双绞线。

在这种情况下， PMA 将负责在符号

与信号之间进行转换。

1000BASE-T 也是如此。 1000BASE-TX 定义了

PMD 功能，但 1000BASE-T 未定义此功能。

PMD 有助于 对介质进行调试，

因为它是负责 连接到物理介质的

物理层。

对于目前 唯一使用

铜双绞线的 网络接口，

以电流形式传输的 信号是差分值。

所用信号类型的示例

包括使用 MLT3 的 100BASE-TX、 使用 PAM5 的 1000BASE-T

和使用 PAM3 的 100BASE-T1。

MLT3 和 PAM5 的示例 在此显示为理想信号。

此处所示的 符号值是

相对值，而不是 相应的 IEEE 802.3

修正案中定义的

实际电压电平。

实际电压 也是差分值。

例如，T 的 V 差分值等于 TX

正极电压减去 TX 负极电压。

后续视频将介绍

有关各类信号的 更多信息和详情。

如果网络 使用的是铜缆，

差分信号 通常被驱动到

100 欧姆的 双绞线差分

阻抗中。

此处列出的 IEEE 802.3 规格条款

包含有关 PHY 中的 PCS、PMA 和 PMD 功能的详细信息，

并按链路速度将这些功能细分。

此处显示的 100 BASE-X 代表

100 兆位/秒规格的 铜缆 100 BASE-TX

版本和光纤

100 BASE-FX 版本。

对于铜缆和光纤， PCS 和 PMA 功能相同，

因为它们 都与介质无关，

标准第 2 部分的 第 24 条说明了这两种功能。

由于 PMD 取决于 物理介质，

因此使用两个不同的 条款来分别说明铜缆和

光纤版本：第 25 条 适用于铜缆，

第 26 条适用于光纤。

IEEE 802.3 的第 3 部分 涵盖了各种版本的

1 千兆位/秒以太网。

第 40 条 说明了 1000BASE-T，

第 36 到 39 条 说明了长波长和

短波长光纤版本

以及短距离铜缆。

感谢观看 高精度实验室

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