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关于MII、RMIIIM电竞网站-欢迎您!、GMIIIM电竞网站-欢迎您!、RGMII、PHY、网络变压器、RJ45的硬件总结

2022-02-18 01:02:55 ? 112

  ?随着时代的发展,我相信大家对网络都有一个基本的认识吧,10MIM电竞网站-欢迎您!,100M,1000M网已经成为了我们的日常,网络也是我们获取外面信息的一个非常重要的渠道。下边我将从硬件角度对网络通信的物理层由MAC>PHY>变压器—>RJ45进行说明,主要在于MII,RMIIIM电竞网站-欢迎您!,GMII,RGMII,电流型PHY电路,电压型PHY电路,网络变压器的设计,RJ45线序的总结IM电竞网站-欢迎您!。

 图片1.png

一、网络传输结构及原理

1.网络传输原理

??以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问(CSMA/CD)机制。当以太网中要传输数据时,它将按如下步骤进行:

1、帧听信道上收否有信号在传输IM电竞网站-欢迎您!。如果有的话,表明信道处于忙状态,就继续帧听,直到信道空闲为止。

2、若没有帧听到任何信号,就传输数据

3、传输的时候继续帧听IM电竞网站-欢迎您!,如发现冲突则执行退避算法,随机等待一段时间后IM电竞网站-欢迎您!,重新执行步骤1(当冲突发生时,涉及冲突的计算机会发送会返回到帧听信道状态)IM电竞网站-欢迎您!。每台计算机一次只允许发送一个包,一个拥塞序列,以警告所有的节点。

4、若未发现冲突则发送成功,计算机所有计算机在试图再一次发送数据之前IM电竞网站-欢迎您!,必须在最近一次发送后等待一段时间。

 

2.TCP/IP协议

??TCP/IP(传输控制协议/网间协议)是一种网络通信协议,它规范了网络上的所有通信设备,尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式IM电竞网站-欢迎您!。TCP/IPINTERNET的基础协议,也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法IM电竞网站-欢迎您!。网络传输可分为物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层IM电竞网站-欢迎您!,应用层。如下图所示。

图片3.png 

3.数据链路层(MAC)

??MAC(媒体访问控制子层协议),也称硬件地址。主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候,mac协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送,将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层,在接收数据的时候,Mac协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误,如果没有这去掉,控制信息发送至LLC层。

??以太网MAC芯片的一端接计算机PCI总线IM电竞网站-欢迎您!,另外一端就接到PHY芯片上,通过MII,RMII,GMII,RGMII等介质接口于PHY进行通信。

二、介质独立接口MII,RMIIIM电竞网站-欢迎您!,GMII,RGMII

1.MII(Media Independent interface)

??MIIMedia Independent interface:媒体独立接口,也叫介质无关接口。它是MACPHY之间的通信接口。MII数据接口有2根控制线和16根数据线组成。当CLK信号为25MHz(对应100Mb/s)或2.5MHz(对应10Mb/s)。

下图为MACPHYMII硬件连接示意图:

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下图为MII管脚解释:

image.png 

MDC:管理数据时钟,该时钟由MAC层芯片输出IM电竞网站-欢迎您!,并用于通过MDIO引脚从PHY中同步输入和输出数据。

MDIO:管理数据输入输出。

2.RMII(Reduced Media Independent Interface)

??RMIIReduced Media Independent Interface):独立于介质接口RMII接口比MII接口拥有更少的I/O传输。MII18根线)拥有16根数据线2根控制线,而RMII8根线)只有7个数据线 和1根控制线。传输速率和MII一样IM电竞网站-欢迎您!,支持10Mb/s100Mb/s。不同的是RMII10Mb/s100Mb/sCLK都为50MHz。即在相同速率下RMIIMII数据线少了一半,极大的减小了走线压力和端口压力。

??注意:如果是需要自适应10/100M,TX_CLK是由PHY芯片发出IM电竞网站-欢迎您!。

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下图为RMII管脚解释:

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6.CRS_DV:由MII接口中的RX_DVCRS两个信号合并而成。当介质不空闲时,CRS_DVRE_CLK相异步的方式给出。

3.GMIIGigabit Medium Independent

GMIIGigabit Medium Independent):千兆以太网,GMII采用8位接口数据,工作时钟125MHz,因此传输速率可达1000Mbps。同时向下兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。要实现1000Mb/s、100Mb/S、10Mb/S自适应必须加上TX_CLKPHY输出)。速率要达到1000Mb/s,GTX_CLK/RX_CLK时钟必须125MHz。

image.png 

下图为GMII管脚解释:

image.png 

MDC:管理数据时钟,该时钟由MAC层芯片输出,并用于通过MDIO引脚从PHY中同步输入和输出数据。

MDIO:管理数据输入输出。

 

4.RGMIIReduced Gigabit Media Independent Interface

??RGMIIReduced Gigabit Media Independent Interface):千兆以太网IM电竞网站-欢迎您!,采用RGMII14根线)的目的是降低电路成本,使实现这种接口的器件的引脚数从GMII25个引脚减少到14个引脚IM电竞网站-欢迎您!。RGMII均采用4位数据接口,工作时钟125MHz,并且在上升沿和下降沿同时传输数据,因此传输速率可达1000Mbps。RGMII同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!,支持传输速率:10M/100M/1000Mb/s ,其对应clk 信号分别为2.5MHz/25MHz/125MHz。

 

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下图为RGMII管脚解释:

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 只有时钟TX_CLK/RX_CLK工作在125MHzIM电竞网站-欢迎您!,并且在上升沿和下降沿同时传输数据IM电竞网站-欢迎您!,因此传输速率可达1000MbpsIM电竞网站-欢迎您!。

三IM电竞网站-欢迎您!、物理层芯片(PHY)

1.什么是PHY

??PHY是物理接口收发器。其物理层定义了数据传送与接收所需要的光电信号、线路状态IM电竞网站-欢迎您!、时钟基准、数据编码等电路IM电竞网站-欢迎您!,并向数据链路层设备提供标准接口。一般PHY芯片为模数混合电路,负责接收光、电这类模拟信号IM电竞网站-欢迎您!,经过解调和A/D转换后通过MIIIM电竞网站-欢迎您!,RMII,GMII,RGMII等介质接口将信号交给MAC芯片进行处理。一般MAC芯片为纯数字电路。

??PHY在发送数据时IM电竞网站-欢迎您!,收到MAC发过来的数据(对PHY来说没有帧的概念,发过来的都是数据),然后在把并行数据转化为串行数据,在按照物理层的编码规则吧数据进行编码,再经过D/A转化通过模拟信号传输出去。接收时流程相反IM电竞网站-欢迎您!。

??PHY的作用①是外界网络和MAC的通信桥梁。②实现CSMA/CD(多点接入载波监听/冲突检测)的部分功能IM电竞网站-欢迎您!,可以检测到网络上是否有数据在传送,如果有数据在传送中就等待,一旦检测到网络空闲,再等待一个随机时间后将送数据出去。冲突检测机构可以检测到冲突,然后各等待一个随机的时间重新发送数据。

??PHY芯片的内部结构可参考下图RTL8211F的内部组成结构。

image.png 

2.电流型PHY

??电流型PHY:指PHY芯片把MAC给的数据进行串并转换,编码后经DAC输出,而DAC为电流型输入IM电竞网站-欢迎您!,即芯片为电流型PHY。电流型PHY工作原理:由于PHY芯片的DAC为电流型输入,即需在外部提供一个偏置电压,再由PHY芯片将编码后的数据以差分电流的形式输出,并在100Ω电阻上产生其对应的电压,最后在通过网变压器把信号传出(电流方向为红色箭头方向)IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!。有的PHY芯片内部会集成差分电阻,具体以所用芯片手册为则。VDD的作用为为电路提供电流和为差分信号提供直流偏置。电阻需靠近PHY芯片放置。

??电流型PHY需要在网络变压器中间抽头提供一个VDD电压IM电竞网站-欢迎您!。

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3.电压型PHY

??电压型PHY:指PHY芯片把MAC给的数据进行串并转换,编码后经DAC输出,而DAC为电压型输出,即芯片为电压型PHY。电压型PHY工作原理:直接由PHY芯片将编码后的数据以差分电压的方式输出,此时网络变压器中间抽头不需要提供偏置电压,所以网络变压器中间抽头一般接0.1uF的电容IM电竞网站-欢迎您!,为高频干扰提供一个低阻抗回路。

??电压型PHY在网络变压器中间抽头接0.1uF电容。

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四、网络变压器

1.网络变压器的构成

??网络变压器一般由共模电感,中心抽头,变压器这三部分构成。我们常见的网络变压器有这两种,一种共模电感在前面,如图一(共模电感—>变压器)IM电竞网站-欢迎您!,一种共模电感在后边(变压器—>共模电感)如图二。网络变压器中的变压器匝数为11,即网络变压器为11传输交流信号。

image.png 

网络变压器的内部结构:

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2.网络变压器的作用

1.前面介绍了两种网络变压器的内部结构,下边来说说这两种变压器有什么区别及在原理图中该如何设计:

.电压驱动型的PHY,2线共模电感可以放在PHY侧或线缆侧(RJ45)IM电竞网站-欢迎您!。

.电流驱动型的PHY,2线共模电感只能放在线缆侧(RJ45),因为电感会对电流驱动有阻碍作用IM电竞网站-欢迎您!IM电竞网站-欢迎您!,影响网络的传输。

2.网络变压器的作用:

.滤除共模干扰:因为网络变压器有共模电感,所以能有效滤除共模干扰,增强信号质量,提高传输距离。

.隔离:因为有变压器的作用,信号是通过磁传播的,能有效隔离PHY端和RJ45端的直流分量。在外部不同电平是,网络变压器仅耦合交流信号,使电平与PHY端保持一致IM电竞网站-欢迎您!,?;?span style="font-size: 14px; font-family: Calibri;">PHY芯片。

③抗干扰:PHY端的中心抽头可为信号提供直流偏置IM电竞网站-欢迎您!;或者为共模电流提供一个低阻抗路径。

④优化波形:由于有共模电感及中心抽头电容或电源的存在IM电竞网站-欢迎您!,能有效的滤除信号中的杂波,优化传输波形IM电竞网站-欢迎您!。

五、RJ45介绍

1.网线的介绍

??RJ45由插头和插做组成,也就是我们常说的网口和网线。RJ45 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。RJ45网络传输线分为直通线、交叉线和全反线。直通线用于异种网络设备之间的互连,例如,计算机与交换机。交叉线用于同种网络设备之间的互连,例如,计算机与计算机。全反线用于超级终端与网络设备的控制物理接口之间的连接。下面将介绍一下各线的作用和区别。

??1.直通线:又叫正线或标准线IM电竞网站-欢迎您!,两端采用568B做线标准,注意两端都是同样的线序且一一对应。直通线是应用最广泛,现在最常用的线。不同设备之间,比如路由器和交换机、PC和交换机等。

??2.交叉线:又叫反线,线序按照一端568A,一端568B的标准排列好线序IM电竞网站-欢迎您!,并用RJ45水晶头夹好IM电竞网站-欢迎您!。交叉线一般用于相同设备的连接,比如路由器和路由器、电脑和电脑之间;很多也支持直通线了,但建议还是使用交叉线。

??3.568B线序:① 白-橙、② 橙、③ 白-绿、④ 蓝、⑤ 白-蓝、⑥ 绿、⑦ 白-棕、⑧ 棕。

口诀1:橙蓝绿棕IM电竞网站-欢迎您!,浅色在前,三五互换。

口诀2:白橙橙,白绿蓝,白蓝绿,白棕棕

??4.568A线序:① 白-绿、② 绿、③ 白-橙、④ 蓝、⑤ 白-蓝、⑥ 橙、⑦ 白-棕、⑧ 棕

口诀1:绿蓝橙棕,浅色在前,三五互换

口诀2:白绿绿,白橙蓝,白蓝橙IM电竞网站-欢迎您!,白棕棕

??说了这么多种网线,大家是不是在想我们经常用的网线是属于那种的呢?好像购买网线的时候也没有特别注意过网线还有这么多型号,都是直接购买,没有想那么多,而且都能很好的使用。下面就来说一下关于网线的这些事,其实我们目前在网上或线下购买的基本都是直通线,那上边不是说了同种设备相连接需使用的是交叉线吗,然而我们在两台电脑直连时,也能正常的通信IM电竞网站-欢迎您!。其实这能正常通信的原因是现在很多的网络芯片(PHY芯片)基本都是支持自动翻转的,PHY它会自动的监听用户的网线接入状态,但接反时它内部会自己翻转。所以现在在购买网线时都不需要考虑购买型号了,极大的方便我们的生活。

??目前大多数PHY芯片都支持,PN差分对之间支持对内交换(PN可以互换),差分对与差分对之间支持互换(差分对1和差分对2互换)。

2.不带变压器RJ45线序

下图为RJ45内部不带变压器座子的线序IM电竞网站-欢迎您!,即网线的线序:

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2.带变压器RJ45线序

下图为RJ45内部带变压器座子的线序:

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3.带变压器RJ45内部结构图

下图为RJ45内部带变压器的内部结构图:

 五、网络的PCB设计image.png

??1.RJ45和变压器之间的距离尽可能的短IM电竞网站-欢迎您!,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;

??2.靠近PHY芯片侧网络变压器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IM电竞网站-欢迎您!,分布电感最小。

??3.靠近接口侧网络变压器中心抽头的电阻和电容靠近中心抽头放置IM电竞网站-欢迎您!,走线短而粗(≥15mil);

??4.变压器时磁隔离元件,变压器下边禁止走线,铺铜,需要挖空处理。

??5.由于网络传输的是差分模拟信号,在走线时尽量要保持差分对平行、等长、短距,避免过孔、交叉。

??6.在远距离传输时需要对差分对进行阻抗控制,通常阻抗控制在100Ω±10%。

??7.RJ45尽量靠近端口侧放置?IM电竞网站-欢迎您!;て骷?。

??8.电流型PHY249.9Ω 电阻器和 0.1μF 去耦电容器放置在 PHY TD± 和 RD± 引脚附近。有些PHY芯片可能内部集成差分电阻,具体以所用芯片型号手册为则IM电竞网站-欢迎您!。

总结

??在进行网络设计的时候,首先根据你需要传输的网络多少来确定MACPHY芯片,在选用MACPHY支持介质接口(MII,RMII,GMII,RGMII等)来进行网络的传输IM电竞网站-欢迎您!,经过PHY芯片对数据进行编码,DA等转换后再经过网络变压器将数据传入网络。在选取网络变压器时,要注意网络变压器的带宽和你所用PHY芯片输出的类型来选择。具体的电流型输出PHY还是电压型输出PHY这个可以根据选取PHY芯片的数据手册或参考设计来确定。注意:网络传输的是模拟信号。

??电压驱动型的PHY,网络变压器中间抽头接0.1uF到地IM电竞网站-欢迎您!。2线共模电感可以放在PHY侧或线缆侧(RJ45)。

??电流驱动型的PHY,网络变压器中间抽头需要接VDD。2线共模电感只能放在线缆侧(RJ45)。

 


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