以太网的硬件地址,基于以太网的信号传输设计

1 .以太网MAC和PHY 1.1 MAC介绍媒体接入控制(MAC )或媒体接入控制层协议。 MAC由硬件控制器和MAC通信协议组成。 该协议位于OSI第7层协议数据链路层的下半部分，主要负责物理层物理媒体的控制和连接。 MAC硬件的框图如下图所示。

在发射数据时，MAC协议可以确定是否可以预先发射数据，如果可以，则将某些控制信息添加到数据中，最终以给定格式将数据和控制信息发射到物理层；

在接收到数据时，MAC协议首先确定输入信息是否在传输错误中，其消除了控制信息，并将其发送到逻辑链路控制(LLC )层。

此层协议是以太网MAC，由IEEE-802. 3以太网标准定义。 一般的以太网MAC芯片一端连接到PCI总线，另一端连接到PHY芯片，并通过MII接口连接。

1.2 PHY介绍PHY (物理层)是IEEE802.3中定义的标准模块，sta ) stationmanagemententity，管理实体，一般为MAC或CPU )为miim )

当PHY发送数据时，PHY接收来自MAC的数据(对PHY来说没有帧的概念，对其来说都是数据)，将并行数据转换成串行流数据，根据物理层的编码规则对数据进行编码，转换成模拟信号

PHY的另一个重要功能是实现CSMA/CD的部分功能。 它检测网络上是否有数据传输，如果有传输中的数据，则进行待机，如果检测出网络空闲，则等待随机时间后发送数据。 如果两个碰巧同时发送了数据，则可能会发生冲突。 此时，碰撞检测机制可以检测碰撞，并在每个随机时间重新发送数据

1.3从MAC和PHY的相关硬件角度来看，以太网接口电路主要由媒体访问控制(MAC )控制器和物理层接口(PHY )两大部分组成如下图所示

但在实际设计中，这三个部分并不总是独立的。 这是因为，考虑到PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件芯片面积和模拟/数字混合架构的原因，通常通过将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外更灵活、密度更高的芯片技术，使用MAC和PHY的单芯片可以分类为以下类型：

CPU集成MAC和PHY。 现在不多见了

内置CPU的MAC、PHY采用独立的芯片。 比较常见

MAC和PHY在OSI层模型的数据链路层和物理层工作。 具体情况如下

2. MII/RMII/GMII/RGMII基本上介绍了媒体无关接口，或媒体无关接口，其是IEEE-802.3中定义的行业标准，MAC MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号，如下图所示。

信号定义如下。

MAC通过MII接口读取PHY状态寄存器，并知道当前PHY的状态。 例如，连接速度、双重能力等。

也可以通过在MII中设置PHY的寄存器来达到控制的目的。 例如，流体控制开/关、自动协商模式还是强制模式等。

MII以4位半字节方式传输数据双向传输，时钟速率为25MHz。 动作速度达到100Mb/s秒。 当时钟频率为2.5MHz时，对应速度为10Mb/s。

MII接口灵活，但由于信号线过多限制了多接口网口的发展，后来衍生出了RMII、SMII等。

2.2 rmiirmii (reducedmediaindependantinterface )，简化了MII连接器，节省了一半的数据线。 RMII收发使用2位数据进行传输，收发时钟均采用50MHz时钟源。 信号定义如下。

其中，CRS_DV是MII中RX_DV和CRS这两个信号的合并，在物理层接收到载波信号后CRS_DV变为有效，将数据发送到RXD。 如果载波信号消失，则CRS_DV无效。 在100M以太网速率下，MAC层每1个时钟对RXD[1:0]上的数据进行采样，在10M以太网速率下，MAC层每10个时钟对RXD[1:0]上的数据进行采样

2.3串行媒体数据接口(smiismii )、串行MII接口。 它包括TXD、RXD、SYNC三条信号线，共享一个时钟信号。 该时钟信号为125MHz，信号线与该时钟同步。 信号定义如下。

SYNC是数据收发的同步信号，每10个时钟同步提升一次，表示同步。 TXD和RXD上的数据和控制信息以10bit为一组。 发送波形的一部分如下。

由波形可知，SYNC升高后以10个时钟周期，TXD依次输出10位的数据组即TX_ER、TX_EN、TXD[0:7]，这些控制信息与MII接口同义。 在100M费率下，各组的内容会被转换。 按照10M速率，每组数据需要重复10次

样任一一组都可以

2.4 GMII

GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000。信号定义如下：

2.5 RGMII

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。相对于GMII相比，RGMII具有如下特征：

发送/接收数据线由8条改为4条
TX_ER和TX_EN复用，通过TX_CTL传送
RX_ER与RX_DV复用，通过RX_CTL传送
1 Gbit/s速率下，时钟频率为125MHz
100 Mbit/s速率下，时钟频率为25MHz
10 Mbit/s速率下，时钟频率为2.5MHz

虽然RGMII信号线减半，但TXC/RXC时钟仍为125Mhz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4],并且信号TX_CTL反应了TX_EN和TX_ER状态，即在TXC上升沿发送TX_EN,下降沿发送TX_ER，同样的道理试用于RX_CTL，下图为发送接收的时序：

3. 以太网接口类型 3.1 以太网物理层标准

3.2 光口

光口是光纤接口的简称
目前以太网光模块封装有 GBIC 、 SFF 、 SFP ，公司目前推荐使用的是 GBIC
和 SFP 两种可热插拔的光模块，有 850nm 、 1310nm 、 1550nm 波长。

光纤有单模、多模之分，区别在于：

1） 单模光纤芯径小（10m m左右），仅允许一个模式传输，色散小，工作在长波长（1310nm和1550nm），与光器件的耦合相对困难。

2）多模光纤芯径大（62.5m m或50m m），允许上百个模式传输，色散大，工作在850nm或1310nm。与光器件的耦合相对容易。

光模块
GBIC(Gigabit Interface Converter的缩写)，是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件。GBIC设计上可以为热插拔使用。GBIC是一种符合国际标准的可互换产品。采用GBIC接口设计的千兆位交换机由于互换灵活，在市场上占有较大的市场份额。

SFP （Small Form-factor Pluggable）可以简单的理解为GBIC的升级版本。

3.3 电口

电口是相对光口来讲的，主要指铜缆，是处理的电信号。目前使用普遍的网络接口有百兆电口和千兆电口等。
RJ45接口通常用于数据传输，最常见的应用为网卡接口。RJ45头根据线的排序不同的法有两种，一种是橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕;另一种是绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕;因此使用RJ45接头的线也有两种即：直通线、交叉线。

RJ45型网卡接口:
10 100base tx RJ45接口是常用的以太网接口，支持10兆和100兆自适应的网络连接速度，常见的RJ45接口有两类：用于以太网网卡、路由器以太网接口等的DTE类型，还有用于交换机等的DCE类型。 DTE我们可以称做"数据终端设备”，DCE我们可以称做“数据通信设备”。从某种意义来说，DTE设备称为“主动通信设备”，DCE设备称为“被动通信设备”。当两个类型一样的设备使用RJ45接口连接通信时，必须使用交叉线连接。

RJ45 型网线插头又称水晶头，共有八芯做成，广泛应用于局域网和 ADSL 宽带上网用户的网络设备间网线(称作五类线或双绞线)的连接。
RJ-45 插座可以分为屏蔽式和非屏蔽式、 直插式和侧插式、 带 LED 灯和不带 LED 灯， 有单端口、两端口、 单排四端口、 单排 6 端口、 单排 8 端口、 双排 8 端口、 双排 12 端口、双排 16 端口等，有 8PIN、 6PIN 和 4PIN 。图 3 所示是常用的屏蔽式、侧插、
带 LED 指示灯、单排四端口的 RJ-45 插座。其中 LED 指示灯是绿色和黄色，可以分别表示 LINK （链路完整）和 ACT （有收发活动）等。

3.4 100M 接口

3.5 1000M 接口定义

千兆PHY通过网络变压器连接到RJ45接口，一共有4对差分线MDI[0…3]+/-。一般的接法是：
MDI[0]+ : RJ45[1]
MDI[0]- : RJ45[2]
MDI[1]+ : RJ45[3]
MDI[1]- : RJ45[6]
MDI[2]+ : RJ45[4]
MDI[2]- : RJ45[5]
MDI[3]+ : RJ45[7]
MDI[3]- : RJ45[8]
RJ45[1…8]连接器的线序与水晶头的压接顺序一致。

4. 以太网接口电路PCB设计

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC(Media Access Controlleroler)控制和物理层接口(Physical Layer，PHY)两大部分构成。大部分处理器内部包含了以太网MAC控制，但并不提供物理层接口，故需外接一片物理芯片以提供以太网的接入通道。

下图是以太网的典型应用。我们的PCB设计基本是按照这个框图来布局布线，下面我们就以这个框图详解以太网有关的布局布线要点。

4.1 布局布线注意事项

下图是网口变压器没有集成在网口连接器里的参考电路PCB布局、布线图。

a) RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围，PHY层芯片和变压器之间的距离尽可能短，但有时为了顾全整体布局，这一点可能比较难满足，但他们之间的距离最大约10~12cm，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去;

b) PHY层芯片的电源滤波按照芯片要求设计，通常每个电源端都需放置一个退耦电容，他们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振，为了让电容起到去耦和旁路的作用，故要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路面积尽量小，保证引线电感尽量小;

c) 网口变压器PHY层芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小;

d) 网口变压器接口侧的共模电阻和高压电容靠近中心抽头放置，走线短而粗(≥15mil);

e) 变压器的两边需要割地：即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，隔离区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。这样做分割处理，就是为了达到初、次级的隔离，控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级;

f) 指示灯的电源线和驱动信号线相邻走线，尽量减小环路面积。指示灯和差分线要进行必要的隔离，两者要保证足够的距离，如有空间可用GND隔开;

g) 用于连接GND和PGND的电阻及电容需放置地分割区域。

以太网的信号线是以差分对(Rx±、Tx±)的形式存在，差分线具有很强共模抑制能力，抗干扰能力强，但是如果布线不当，将会带来严重的信号完整性问题。下面我们来一一介绍差分线的处理要点：

a) 优先绘制Rx±、Tx±差分对，尽量保持差分对平行、等长、短距，避免过孔、交叉。由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配，时序会发生偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。所以，相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿，使其线长匹配，长度差通常控制在5mil以内，补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里;

b) 当速度要求高时需对Rx±、Tx±差分对进行阻抗控制，通常阻抗控制在100Ω±10%;

c) 差分信号终端电阻(49.9Ω，有的PHY层芯片可能没有)必须靠近PHY层芯片的Rx±、Tx±管脚放置，这样能更好的消除通信电缆中的信号反射;

d) 差分线对上的滤波电容必须对称放置，否则差模可能转成共模，带来共模噪声，且其走线时不能有stub ，这样才能对高频噪声有良好的抑制能力。

变压器集成在连接器的以太网电路的PCB布局、布线较不集成的相对简单很多，下图 3是采用一体化连接器的网口电路的PCB布局、布线参考图：

从上图可以看出，图 3和图 1的不同之处在于少了网口变压器，其它大体相同。不同之处主要体现在网口变压器已集成至连接器里，所以地平面无需进行分割处理，但我们依然需要将一体化连机器的外壳连接到连续的地平面上。（或者划分接口地，外壳连接到接口地）

5. 常用以太网PHY芯片选型

部分内容转自：
https://blog.csdn.net/sternlycore/article/details/89065789
https://blog.csdn.net/ZCShouCSDN/article/details/80090802
https://blog.csdn.net/wqfhenanxc/article/details/82221495