以太網筆記：快速以太網100Base-TX接口及編碼

整車的EEA（Electrical/Electronic Architecture，電子電器架構）中，以太網常用的通信速率有100MHz和1000MHz（1G）。 本文聚焦100M Ethernet的討論。 100MHz的Ethernet也稱為FE（Fast Ethernet，快速以太網），對于100MHz的以太網，汽車中，常用的又包括100BASE-T1和100BASE-TX，以太網的使用中，不知大家是否產生過這樣的疑問：

FE的100MHz通信速率如何產生？

FE的100MHz通信速率與通信接口關系？

FE（100Base-TX）的編碼規則？

帶著這些疑問，本文基于100BASE-TX，展開聊聊。

1、MAC與PHY接口

uC的MAC（Media Access Control） Controller發送/接口Ethernet Frame需要依賴PHY芯片**（Phy**sical Layer，物理接口層）。 項目中，使用不同的速率的Ethernet，對應的PHY接口不同，如下所示：

如上圖（TC3xx），PHY接口主要包括MII（Media Independent Interface）、RGMII（Reduced GMII）、RMII（Reduced MII）。 一般來說，uC大都會支持1000M Ethernet，但是，出于成本考慮，結合項目實際，會選用不同的PHY芯片，不同的PHY芯片型號，可能支持的Ethernet速率會不同。 比如：Realtek RTL8211F(I)/RTL8211FD(I) 可以兼容10Base-T, 100Base-TX,1000Base-TIEEE 802.3，而DP83825I只兼容10Base-T, 100Base-TX IEEE 802.3。 所以，在使用Ethernet的MAC接口時，需要先確認PHY能兼容的接口有哪些。

（一）DP83825I與MAC之間的信號線

PHY（DP83825）與MAC、RJ45之間的物理連接關系如下所示：

本文主要討論100M Ethernet，而DP83825I兼容的PHY接口為RMII。 RMII接口由7根信號線外加一個時鐘參考線。

TXD[1:0]：數據發送信號，共2根信號線；；

RXD[1:0]：數據接收信號，共2根信號線；

TX_EN(TransmitEnable)：數據發送使能信號；

RX_ER(ReceiveError)：數據接收錯誤指示信號（可選）；

CLK_REF：外部時鐘源提供50MHz參考時鐘，由PHY芯片提供給MAC。

CRS_DV：此信號是由MII接口中的RX_DV和CRS兩個信號合并而成。

以DP83825I為例，PHY、MAC的接口連接如下所示：

如上圖，TC3xx的GETH MAC如果與DP83825I PHY能正常通信，不使用Rx_CLK、RX_DV，RX_ER可以選用。

DP83825I PHY中使用的通信信號線示意如下：

2、FE（100Base-TX）的100MHz通信速率如何產生？

兩個ECU使用100Base-TX的以太網通信連接示意如下所示：

對于RMII接口，參考時鐘為外部時鐘，時鐘頻率50MHz，收/發過程中，均使用兩條數據線，因此，傳輸速率100MHz（2 * 50MHz）就是這么來的，即：一個Clock可以傳輸2個bit。 這里的100是指PHY從MAC接收/發送的速率，實際總線上傳輸的模擬信號（差分信號）帶寬并不是100MHz。 模擬信號帶寬不是100MHz，是多少呢？答：模擬信號的速率與以太網的編碼格式有關。

3、FE(100Base-TX)的編碼規則

100BASE-TX使用4B5B、NRZI（Non Return Zero Inverted Code，反向不歸零編碼）、MLT-3（Multi Level Transmit，多電平傳輸）方法進行編碼和解碼，進而生成差分電壓。

（一）4B5B編碼

MAC會通過多條發送數據線（Tx_D[n]）將要發送的信息并行發送給PHY，PHY收到數據以后，先進行串行序列化處理，之后進行4B5B編碼。

4B5B編碼就是使用5Bit表示4Bit（實際要發送的數據），即：在4bit待發送數據中插入0或者1構成5bit。 4Bit數據，可以構成2^4 = 16種組合，而5bit，可以構成2^5 = 32種組合，所以會有一部分5bit組合用于控制。

4B5B對應編碼、解碼表如下所示：

示例：PHY收到MAC發送的數據0000 0001，經過4B5B編碼后，變成11110 01001，如下所示：

經過4B5B編碼以后，編碼效率降低，因為插入了一個無效bit，編碼率 = 4/5 =80%。

PHY從MAC端接收數據時，速率是100Mbps，經過4B5B編碼后，數據帶寬變成125MHz，如果使用5類非屏蔽雙絞線（UTP）傳輸，不可行，因為5類非屏蔽雙絞線最高支持 100MHz 的數據帶寬。 所以，數據經過4B5B編碼后，需要使用其他方式降低帶寬，以便于使用5類非屏蔽雙絞線（UTP）傳輸數據。 100Base-TX常用降低帶寬的方法有哪些呢？答：本文討論NRZI和 MLT-3組合的方式。 即：先用NRZI，將帶寬降低一半（62.5MHz），再經過MLT-3編碼，帶寬進一步降低一半（31.25MHz）。

（2）NRZI編碼

理解NRZI之前，我們需要先理解RZ（Return to Zone，歸零編碼）。

RZ編碼規則：正電平表示邏輯1，負電平表示0，每次傳輸一個邏輯電平后需要返回零電平。

eg：RZ方式傳輸1011數據時，電平變化如下所示：

對于RZ，每次操作都需要歸零處理，增加了帶寬，因此，又提出了NRZ（No Return to Zone，非歸零編碼），即：高電平表示1，低電平表示0。

eg：NRZ方式傳輸1011數據時，電平變化如下所示：

但是，使用NRZ方式，雖然不浪費帶寬，但是，當傳輸的數據中，出現連續1或者0時，接收端會因識別不到電平變化可能采樣錯誤，即：無法與發送端進行時鐘同步。 所以，又進一步的引入了NRZI編碼方式，你可能會說：NRZI也沒有同步的能力。 如果發送端先發送一個同步包，接收端即可進行同步，而100Base-TX采用雙絞線差分傳輸，適合使用此方式。

NRZI的編碼規則是什么呢？答：0表示電平有反轉，1表示電平沒有反轉。

eg：NRZ、NRZI方式傳輸1011數據時，電平變化對比如下所示：

（三）MLT-3編碼

MLT-3編碼使用3個電平（正電平、負電平、零電平）編碼要傳輸的數據，MLT-3的編碼規則：

1、如果下一輸入為“0”，則電平保持不變；

2、如果下一輸入為“1”，則產生跳變，此時又分兩種情況。

如果前一輸出是“＋1”或“－1”，則下一輸出為“0”；

如果前一輸出是“0”，其信號極性和最近一個非“0”相反。

eg：MLT-3方式傳輸1011數據時，電平變化對比如下所示：

審核編輯：湯梓紅