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。PHY基本介绍1、PHY基本概念在OSI 的7 层基准模型中我们使用的PHY 属于第一层-物理层( PHY)，PHY是数据链路层的媒体访问控制部分和媒体的接口。PHY 对所有传输的数据，只是进行编码转化，没有对有效数据信号进行任何分析或改变。但是MAC 所有的数据传输都必须经过PHY 发送和接收才会传输到目标MAC。PHY 还可以完成连接判断，自动协商以及冲突检测。MAC 可以通过修改PHY 的寄存器完成对自动协商的监控，当然也可以读取PHY 的寄存器来判断PHY 的状态。1.1 以太网接口类型以太网接口常用有双绞线接口（俗称电口）和光纤接口（俗称光口）2种。另外还有早期的同轴电缆接口。下面是常用以太网接口的代号：10BASE2: 采用细同轴电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 10.)10BASE5: 采用粗同轴电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 8.)10BASE-F:采用光纤电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 15.)10BASE-T:采用电话双绞线的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 14.)100BASE-FX: 采用两个光纤的IEEE 802.3 100Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clauses 24 and 26.)100BASE-T2: 采用两对3类线或更好的平衡线缆的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 32.)100BASE-T4: 采用四对3、4、5类线非屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 23.)100BASE-TX: 采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clauses 24 and 25.)1000BASE-CX: 1000BASE-X 在特制的屏蔽电缆传输的接口规格(参见 IEEE 802.3 Clause 39.)1000BASE-LX: 1000BASE-X 采用单模或多模长波激光器的规格(参见 IEEE 802.3 Clause 38.)1000BASE-SX: 1000BASE-X 采用多模短波激光器的规格(参见 IEEE 802.3 Clause 38.)1000BASE-T: 采用四对五类平衡电缆的1000 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 40.)1.1.1 电口电口传输距离标准为100m，电口采用RJ-45接口。图 1-1 RJ-45插座与RJ-45 插座相对应的是RJ-45 插头，如图4所示，一般为8PIN。在10/100M以太网时，其中2根表示1对发送数据，另2根表示1对接收数据，剩下4根保留（100BASE-T4使用4对线，是为3类线设计的）；在1000M以太网时，1000BASE-T使用的是4对双绞线，每一对线都作双向数据传输。图 1-2 RJ45插头我们常用的网线有两种：不带交叉网线(MDI)和带交叉网线(MDIX), 现在有些物理层芯片支持MDI和MDIX自动识别功能，具有此功能的PHY能够根据对方的发送和接收信号，决定使用MDI 或者是MDIX。连接的双方，只要有一方具有Crossover，就可实现功能。此时双方无论使用正线还是反线都能连接上。1.1.2 光口目前以太网光模块封装有GBIC、SFF、SFP。下图为GBIC（Gigabit Interface Converter）封装的光模块，其收发分开，采用SC光纤接头，多模的波长为850nm，单模有1310nm和1550nm，支持热插拔。图 1-3 GBIC封装光模块下图为SFP（Small Formfactor Pluggable）封装的光模块，其收发分开，采用LC光纤，支持热插拔。SFF封装与SFP一样，唯一区别只是SFF为固定式。图 1-4 SFP封装光模块2 10M/100M PHY接口图 1-5 10M/100M PHY结构其中：AUI =ATTACHMENT UNIT INTERFAC （附属接口）连接单元接口MDI =MEDIUM DEPENDENT INTERFAC （媒体依赖接口）介质相关接口MII =MEDIA INDEPENDENT INTERFAC （媒体无关接口）PLS =PHYSICAL LAYER SIGNALING （物理层信号）物理层信令子层PCS =PHYSICAL CODING SUBLAYER （物理编码子层）PMA =PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT （物理媒体附属）物理介质连接子层PHY =PHYSICAL LAYER DEVICE （物理层器件）PMD =PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT （物理媒体依赖）物理介质相关子层由上图可知，可知PHY 工作在10Mbps 时和工作在100Mbps 时，其需要的功能不同。目前我们讨论的10/100PHY 是将其做到了一起，内部都是由PCS/PMA/PMD 及媒体无关接口，MDI 接口组成的。只不过是当PHY 工作在10Mbps 时，有些功能没有用到。2.1 PCSPCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：在100BASE-X 模式时，提供RMII 接口、4B/5B 编码、串并转换以及冲突检测功能，同时只要TxEN 无效就提供“idle”信号给PMD 层。在10BASE-T 模式下只提供接口和串并转换功能。2.2 PMAPMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供对LINK 状态的判断和载波侦听的功能，完成串行信号和NRZI 信号之间的转化。PMA 使用标准的方法来判断端口的LINK 状态。当PMA 判断到对方设备存在的时候，如果自动协商使能，就会开始同对方进行自动协商确定端口的工作模式；当对方不支持自动协商的时候，端口的工作模式根据并行探测的结果。当有数据接收或者发送的时候会导致CRS(carrier sense)的置位。在PMA 层，有的PHY 支持Far-End-Fault（本端down时发送48个1，1个0）。2.3 PMDPMD(PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT)：提供对信号的scrambling/ descrambling；对信号进行编码，在100TX 下是MLT-3 , 在10T 下是Manchester； polarity correction；baseline wandercorrection 等功能。2.4 auto negotiation当连接的双方都有自动协商能力的时候，PHY 通过发送 FLP（ Fast Link Pulse 快速链路脉冲）来决定端口的工作模式，每一个FLP 脉冲群包括33 个脉冲，每个脉冲间隔62.5us，脉冲群的间隔为168ms。奇数脉冲代表时钟长有，偶数脉冲表示数据，有脉冲信号为“1”，没有脉冲信号为“0”。每个FLP 包含16bits 数据即所谓的“page”。所有的支持Auto-negotiation 的器件必须能够读懂“base page”。有些phy 支持“next page”功能。通过交换“base page 互相相连的两方可告知对方它的实际能力（速度、双工等）。PHY 选择双方都有的最高能力作为端口的工作模式。图 1-6 单一快速连接脉冲（FLP）的波形图 1-7 连续的快速连接脉冲（FLP）和普通连接脉冲（NLP）的波形图 1-8 自协商能力寄存器的域定义图当连接的双方只有一方支持自动协商的时候，没有自协商能力的一方发送NLP(normal linkpulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps）；有自动协商能力的PHY 探测线路上的速度信息，配置端口为10M 半双工或者是100M 半双工。NLP 是每间隔168ms 发送一个脉冲，IDLE 就是全“1”信号。所以当强制端口工作于全双工的时候，就必须保证连接的对方也是强制于此种工作状态，否则对方（具有自协商能力的一方）会选择端口的工作状态为半双工，双方能够连接上且按照各自的模式工作。当连接的双方都没有自协商能力的时候，双方都发送NLP(normal link pulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps），如果探测到的速度信息与自己发送的一致，双方就按照自己的工作模式LINK 上且开始工作。如果一方强制为100M 全双工，另一方为强制为100M 半双工的时候，能够连接上且按照各自的模式工作。图 1-9 AC201 PHY定义3 1000M PHY接口1000M主要有电口(1000BASE-T)和光口(1000BASE-X)。3.1 1000BASE-T图 1-10 1000BASE-T结构1000BASE-T PHY可以被配置为MASTER PHY或SLAVE PHY，它们的MASTER-SLAVE关系是在自协商的过程中建立的，MASTER PHY通过本地时钟来决定传输操作的时序，SLAVE PHY通过接受信号中恢复的信号来决定传输操作的时序。图 1-11 1000BASE-T主从关系表因此可以认为1000BASE-T仅支持自协商，设置1000BASE-T为强制1000M通常的做法是使能1000BASE-T的自协商，清除其auto negotiation advertisement寄存器中100BASE-T4 Capable，100BASE-TX Full-duplex Capable，100BASE-TX Half-duplex Capable，10BASE-T Full-duplex Capable，10BASE-T Half-duplex Capable域值（寄存器4 bit9-bit5），并根据duplex设置1000BASE-T control register中Advertise 1000BASE-T Full-duplex Capability或Advertise 1000BASE-T Half-duplex Capability的值（寄存器9 bit9-8）1000BASE-T中，对流控的控制变为了2个bit (auto negotiation advertisement, register 4, bit10-bit11)，支持不对称的流控。图 1-12 PAUSE图 1-13 BCM5482S REGISTERS图 1-14 1000BASE-T CONTROL REGISTER3.2 1000BASE-X图 1-15 1000BASE-X结构1000BASE-X支持强制与自协商，其自协商不协商速率。自协商和强制最根本的区别就是两者再建立物理链路时发送的码流不同，自协商模式发送的是/C/码，也就是配置（Configuration）码流，而强制模式发送的是/I/码，也就是idle码流。基本页信息如下：千兆光口自协商过程:1.两端都设置为自协商模式双方互相发送/C/码流，如果连续接收到3个相同的/C/码且接收到的码流和本端工作方式相匹配，则返回给对方一个带有Ack应答的/C/码，对端接收到Ack信息后，认为两者可以互通，设置端口为UP状态2.一端设置为自协商，一端设置为强制自协商端发送/C/码流，强制端发送/I/码流，强制端无法给对端提供本端的协商信息，也无法给对端返回Ack应答，故自协商端DOWN。但是强制端本身可以识别/C/码，认为对端是与自己相匹配的端口，所以直接设置本端端口为UP状态3.两端均设置为强制模式双方互相发送/I/码流，一端接收到/I/码流后，认为对端是与自己相匹配的端口，直接设置本端端口为UP状态 1000BASE-X与100BASE-T的自动协商的差别100BASE-T自动协商1000BASE-X自动协商指定用于使用RJ-45连接器的UTP电缆可工作于使用各种连接器的光纤及铜线上使用快速链路脉冲突发序列交换信息使用普通8B/10B代码字交换信息MII中定义控制状态/控制寄存器GMII中在寄存器中增加相应位MII定义的寄存器为010GMII中加入寄存器15基本页中定义一位用于对称流控功能基本页中定义两位用于对称与非对称流控基本页中定义一位用于远端故障指示基本页中定义两位用于远端故障指示在1000BASE-X的自动协商中PAUSE功能的协商有相应的优先级表。PAUSE优先级表Local DeviceLink PartnerLocal ResolutionLink Partner ResolutionPAUSEASM-DIRPAUSEASM-DIR00xxDisable PAUSE Transmit and ReceiveDisable PAUSE Transmit and Receive010xDisable PAUSE Transmit and ReceiveDisable PAUSE Transmit and Receive0110Disable PAUSE Transmit and ReceiveDisable PAUSE Transmit and Receive0111Enable PAUSE transmit Disable PAUSE receiveEnable PAUSE receiveDisable PAUSE transmit100xDisable PAUSE Tr