物理层器件PHY(Physical Layer Interface Devices)是将各网元贯穿到物理介质上的重要部件。暴露完成互连参考模子(OSI)第1层中的功能太平洋在线电子游戏，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理贯穿所需的机械、电气、光电调度和规程技能。其功能包括开荒、留神和拆除物理电路，罢了物理层比特bit流的透明传输等。时时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芯片是何如罢了这些功能的。

1、物理层(PHY)的结构

为了更好的文书以太网物理层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，它天然处于最底层，却是整个这个词洞开系统的基础。物理层为开荒之间的数据通讯提供传输媒体及互连开荒，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、物理介质贯穿子层、物理介质筹谋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）和物理介质筹谋层接口（MDI），在MII的表层是逻辑数据链路层（DLL），而MDI的基层则平直与传输介质不时，以太网物理层PHY芯片罢了的功能即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芯片的种类众多，芯片赞助的物理层表率表率亦然多各种种，数据单板上使用PHY芯片是BROADCOM公司的BCM5248和MARVELL公司的88E1111，BCM5248赞助的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX表率表率，88E1111赞助10Base-T、100Base-TX和1000Base-T表率表率。

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这里主要先容了常用的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX表率下PHY芯片主要完成的功能，如图2所示。在10Base-T的表率下，发送数据的经过为由MAC层的数据最初经过Manchester编码，然后经过串并调度，调度后的串行码流经过NRZ编码，终末经过DAC调度后送到5类双绞线上去进行传输，接纳数据经过违抗。

（1）在100Base-TX的表率下，发送数据的经过为由MAC层的数据最初经过4B/5B编码，然后经过串并调度，调度后的串行码流经过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调度后送到5类双绞线概况更高的电缆上去进行传输，接纳数据经过违抗。

（2）在10Base-T的表率，发送数据的经过为由MAC层的数据最初经过串并调度，调度后的串行码流经过NRZ编码，再经过Manchester编码，终末经过DAC调度后送到5类双绞线上去进行传输，接纳数据经过违抗。

（3）在100Base-FX的表率下，发送数据的经过为由MAC层的数据最初经过4B/5B编码，然后经过串并调度，调度后的串行码流经过NRZI编码，平直送到光纤上进行传输，接纳数据经过违抗。底下将安稳讲述各个子层和接口的功能。

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

3、物理介质无关层接口(MII)

MII平静ISO/IEC8802-3和IEEE802.3表率的条目，赞助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）和与站贬责实体（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景况甩手接口。在介质景况甩手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看成MII接口的一部分，用于在STA和PHY器件之间交换联系甩手、景况和设立方面的信息。为此，ISO/IEC、IEEE表率了这个双线串行贬责接口的筹谋合同及贬责信息帧的结构和贬责寄存器的表率。

(1) 贬责寄存器

按表率，贬责寄存器集（Management Register set）包括强制性“基本甩手”寄存器（Mandatory “Basic Control” Registers）、景况寄存器（Status Registers）和专用推广寄存器ICS（Specific Extended Registers）几部分。

(2) 贬责信号帧结构

贬责接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的设立、甩手和景况数据，应用界说的寄存器集来罢了PHY和STA的数据交换。STA不错启动整个的处理功能。ISO/IEC、IEEE对串行贬责数据流界说了筹谋贬责帧结构和合同。

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，骨子使命经过中碰到某种接口查阅筹谋文档即可。接口安稳贵府可参见本公众号上一篇著述《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，二是与物理介质贯穿子层(PMA: Physical Medium Attachment Sublayer)的接口。PCS子层罢黜ISO/IEC8802.3和IEEE802.3表率，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、贬责和甩手等。这里可用100Base-TX速度来揣度PCS子层要完成的功能。

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4.1 PCS在100Mbit/s与10Mbit/s 下的使命模式

一般称10Base-T为以太网，100Base-TX为快速以太网，两者信号的速度，执行的合同以及选用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，然后通过阻隔变压器送入5类双绞线电缆概况比5类双绞线电缆更好地电缆澄莹中传输。关于10Base-T信号则需进行曼切斯特（Manchester）编译码和筹谋的处理。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

合同

传输介质

信号主要处理经过

10Base-T

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

这里揣度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编码的筹画即是将数据包的肇始符、帧拔除、空载与甩手功能等标志王人编成码组进行传输。将4B码的nib映射入5B码字的经过是按IEEE 802.3表率表率进行的。

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，并在帧拔除时加入数据流拔除标帜符/T/R/，用于暗意包的拔除(ESD: End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器相同在包之间填充间隔空信号（Idle Period）。用间隔空（Idle）标志罢了数据流的连气儿性。表2即是4B/5B编码表，编码后的标志送入后头的扰码器。

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表率界说了6种用于甩手使用的组合，还有10种觉得犯警的组合。IEEE界说的6种甩手码组是：

（1）/H/暗意一个发送短处；

（2）/I/暗意一个IDLE空载；

（3）两个码组暗意数据流肇始标志符（SSD）；

（4）/J/和/K/；

（5）两个码组暗意数据流拔除标帜符（ESD）；

（6） /T/和/R/；

4.2.2 10Mbit/s的PCS发送子层

按ISO/IEC、IEEE表率的条目，10Mbit/s的PCS发送子层选用Manchester编码，即应用数据与时钟相“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编码器在数据包拔除后加入一个肇始空脉冲（SOI: Start of Idle Pulse）。在编码经过中包与包之间的间隔则不进行编码，由链路脉冲填充。Manchester编码经过的时候关系如图3所示。

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图3 Manchester编码经过的时候关系图

从MAC/Repeater接口来的4bit的nib流或串行bit流，应用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）周期后半周期时取未必。

（2）二进制NRZ数据“0”

当码元（bit）周期前半周期时取未必；

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；二是不必研讨数据自己是“0”仍是“1”，增多了数据的跃变沿。但它的弱点是编码后的数据率增多了一倍。

PCS子层还可完成碰撞检测，即在数据传输和接收同期发生时，需按表率表率和凭据使命模式进行处理。在半双工使命模式下，发生碰撞时产生检测信号（COL: Collision Detection Signal），而在全双工使命模式下，不产生COL。

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4.3 PCS接收子层

4.3.1 PCS接收子层的功能

PCS接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接收子层景况机连气儿接收从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。接收景况机则在接收和数据景况判断之间进行调度并连气儿这个经过，直到发生下述情况之一时为止：

（1）数据流拔除标帜符（ESD，即/T/R/标志）；

（2）有短处发生；

（3）过早拔除（空号）。

依据ESD，接收景况机复返到Idle景况时，ESD并莫得被送入MAC/Repeater接口，因此检测出的短处将迫使接收景况机宣告接收错，并恭候后头标志。若接收景况机检出“过早拔除信号(Premature end)”，相同也要宣告接收错，而复返Idle景况。

4.3.2 100Mbit/s的PCS接收子层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，因此在接收端必须应用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/标志）拆除并用两个4B数据“5”nb(/5/标志)来代替，对ESD帧符（/T/R/标志）也需要被拆除并用两个4B数据“0”nib（/I/标志）代替。

表3 4B/5B标志译码表

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4.3.3 10Mbit/s PCS接收子层Manchester译码

Manchester译码器将从双绞线对接收到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载运转脉冲(SOI: Start of Idle)拆除。在发送端，NRZ数据被Manchester编码，即数据和时钟相异或。在接收端，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 接收系统定时图

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），用这两个甩手信号罢了对MII接口的甩手与贬责。

5、物理介质贯穿子层(PMA)

PMA与PCS及PMD子层不时，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) 接收时钟回复(Receive Clock Recovery)；

5.1 PMA发送子层

PMA发送子层(PMA Transmit Sublayer)从PCS子层接收串行比特流况且将其变换为NRZI容颜(10Mbit/s无须)，然后将其送入物理介质筹谋子层(PMD)。

PMA使用数字锁相环(PLL)合成工夫，从时钟表率接口获得需要发送的时钟脉冲，并凭据表率时钟接口的安排，获得不同的发送时钟值。

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接收子层

PMA接收子层主要完成底下两个功能：

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

(2)接收时钟回复(Receive Clock Recovery): 即接收时钟回复是由PLL完成的，此PLL锁定于从PMD子层接收条串行数据流上。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接收子层莫得检出任何接收信号时，PMA应用发送时钟看成PLL的参考表率时钟。在100Base-TX信号情况下，回复出25MHz的时钟。而在10Base-T信号通常钟信号则是2.5MHz。

PMA接收子层的链路监视功能(Link Monitoring Function)不错来监视接收时钟PLL。若接收时钟PLL莫得拿获锁定的串行数据流，则产生一个短处信号。在一般情况下，PMA链路监视功能块是连气儿统计与其贯穿的链路景况。若莫得检出接收信号概况PLL误帧，则宣告接收通说念短处。

6、物理介质筹谋子层(PMD)

这里主要先容100Base-TX速度下的双绞线对物理介质筹谋天的子层(TP-PMD：Twisted-Pair Physical Media Dependent)。按照ISO/IEC IEEE的表率，100Base-TX TP-PMD具有对数据流扰码、解忧码、三电平、多跃变沿MLT-3编译码功能及对接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

在时时情况下，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，接收时钟是从接收数据索求得来的，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景况，数据信号必须包含满盈的跃变沿。

IEEE 802.3u合同允许出现一些叠加的数据图形，这些叠加的数据图形在澄莹信号的功率频谱密度分散中出现能量峰值，其不连气儿的频谱重量是无益的，必须将其欺压掉。应用扰码(Scrambling)工夫推广这些图形从而欺压掉这些不连气儿峰值重量达20dB~25dB。这是因为在一定周期时候内信号数据的就地性使得数据信号有均匀功率输出。这么，峰值能量被摈斥，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)将鄙俗的NRZ bit流应用键控、模2加的门径产生一个被扰码的数据流。其使命经过是：一个11bit的线性响应移位寄存器(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，其产生的伪就地序列不错与需要扰码的信号相加，终末获得已扰码的信号（10Mbit/s无须扰码）。

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，应最初罢了解扰器同步，一朝开荒了解扰器同步，在给定的时间内，只好检出满盈扰码空载图形“1”的个数，即在1ms时候内至少应检出25个连气儿解扰空信号“1”，就能保抓同步景况。若在1ms时候内莫得检出25个连气儿解扰空信号“1”，则解扰将失步，而需要再行开荒同步经过。

6.2 100Base-TX MLT-3编码器/译码器

MLT-3澄莹编码(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编码可使高频频谱能量移向低于30MHz的边际区。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，不条目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规复NRZI扰码信号。在这里从中索求了时钟，并应用此时钟进行译码。

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”信号从其浅显额定直流值移动或漂移，而不利于接收机关于噪声的欺压特质，因此需要回复信号原直流重量。

6.4 自稳健平衡器(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侵扰(ISI: Inter Symbol Interference)，因此在接收机中必需选用措施将进来的失真和码间侵扰信号回复成原信号。失简直产生依赖于信号的频谱和介质环路的长度。由于在多半情况下，双绞线对(TP)端口的特质是未知的，况且每个端口条目平衡的特质也不换取，因此，在TP-PMD表率中，提议了使用自稳健平衡器恢规复信号的条目，以保证对接收信号进行允洽的赔偿。自动平衡的门径之一是监视接收信号的能量，用以细目传输介质的长度，并据此调养平衡器的性能。因为，接收信号的幅度与传输的缆长是成正比的，是以若信号电平镌汰，则会增多平衡的总量，而便于赔偿信号在澄莹中的失掉。

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6.5 双绞线对辐射机

一般的双绞线对辐射机(Twittered-Pair Transmitter)编码器、波形发生器以及传输介质澄莹驱动器所构成。波形发生器接纳MLT-3编码波形，并使用一个电流源交换阵列来甩手输出信号飞腾/下落沿的时候和信号的幅度电平。为了平滑此电流型信号输出和颤抖高频重量，需通过一个低通滤波器，使发送的输出波形平静联系脉冲样板的表率。电流驱动型差动驱动器将平滑后合适条目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阻隔变压器。

6.6 双绞线对接射机

一般双绞线对接收机被制作成通用模块，通过一个阻隔变压器与传输介质贯穿。从双绞线对(TP)输入的信号最初干涉自稳健平衡器，在这里关于缆的低通特质进行赔偿，接着干涉“基线漂移转变电路”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译码器接收从相比器来的三电平MLT-3信号况且将其变换为通例数字数据，用来去复时钟和数据。其全经过如图7 所示。

6.7 自动极性转变与阻隔变压器

一般的100Base-TX莫得极性问题，然则自动协商(FLP)关于极性是相比机灵的。自动极性转变(Auto Polarity Correction)功能主如若应用于10Base-T使命气象，时时应用表率链路脉冲(NLP: Normal Link Pulses)锤真金不怕火信号极性，从而改叛逆向的信号极性。

ISO/IEC8802-3、IEEE802.3表率条目要通过阻隔变压器(Isolation Transformer)与电缆传输介质贯穿。而典型的磁性器件模块包含两个阻隔变压器，一个用于双绞线对辐射机，另一个用于接收机。通过这两个阻隔变压器与传输介质物理阻隔和交流耦合。

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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)时时有以下功能：

（1）细目在链路段介质或电缆贯穿的另一端开荒所具有的智商；

（2）晓示远端链路开荒中上述智商；

（3）与链路远端开荒交换彼此表征工夫智商的数据参数，况且与远端链路开荒开荒合同，自动聘请共有的最高性能使命模式。包括使命速度(10/100/1000Mbit/s)、传输介质和半/全双工模式。

自动协商功能是在开荒链路两头开荒中聘请共有的最高性能使命的模式，其算法和链路圆善性算法的区别在于：表率链路圆善性算法仅用于开荒战斗远端开荒的活动链路，而自动协商算法例是在聘请两头共有的最高性能后，还要开荒战斗远端开荒的激活链路。

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）开荒选通自动协商功能；

（2）开荒干涉链路故障(Fail)景况；

（3）自动协商复位。

在ISO/IEC 8802-3表率的附录28B中，列出了各种工夫的优先权轨则，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，自动协商执行的经过要小于500ms，这与对端完成自动协商链路的智商无关。自动协商经过的监视器不错监视自动协商经过和链路是否开荒。

追忆

PHY物理层器件应平静CSMA/CD以太网ISO/IEC 8802-3的表率条目。前边分手安稳描画了MII接口、物理编码子层(PCS)、物理介质贯穿子层(PMA)、物理介质筹谋子层(PMD)以及自动协商(Auto-Negotiation)功能和旨趣。现将各部分功能笼统于表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贬责端口

4B/5B编译码

（100Mbit/s）;

碰撞检测；

串并调度；

Manchester编译码（10Mbit/s）;

MAC/Repeater接口甩手

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；

自动极性转变；

发送/接收变压器阻隔

NLP链路圆善性（主要用于10Mbit/s）;

FLP自动协商

与传输介质不时

着手：硬件电子工程师

温馨指示：太平洋在线电子游戏