关于MIIRMIIGMIIRGMIIPHY网络变压器RJ45的硬件总结

Posted 2023-03-31 于-此

文章目录

• 前言
• 一、网络传输结构及原理
• • 1.网络传输原理
  • 2.TCP/IP协议
  • 3.数据链路层（MAC）
• 二、介质独立接口MII，RMII，GMII，RGMII
• • 1.MII（Media Independent interface）
  • 2.RMII（Reduced Media Independent Interface）
  • 3.GMII（Gigabit Medium Independent）
  • 4.RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）
• 三、物理层芯片（PHY）
• • 1.什么是PHY
  • 2.电流型PHY
  • 3.电压型PHY
• 四、网络变压器
• • 1.网络变压器的构成
  • 2.网络变压器的作用
• 五、RJ45介绍
• • 1.网线的介绍
  • 2.不带变压器RJ45线序
  • 2.带变压器RJ45线序
  • 3.带变压器RJ45内部结构图
• 五、网络的PCB设计
• 总结

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前言

  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，10M，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，RMII，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。

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。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，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，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）。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，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。TCP/IP是INTERNET的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。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，应用层。如下图所示。

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，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，RMII，GMII，RGMII

1.MII（Media Independent interface）

  MII（Media Independent interface）:媒体独立接口，也叫介质无关接口。它是MAC和PHY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MAC与PHY的MII硬件连接示意图：

下图为MII管脚解释：

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。

2.RMII（Reduced Media Independent Interface）

  RMII（Reduced 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。MII（18根线）拥有16根数据线2根控制线，而RMII（8根线）只有7个数据线 和1根控制线。传输速率和MII一样，支持10Mb/s和100Mb/s。不同的是RMII在10Mb/s和100Mb/s下CLK都为50MHz。即在相同速率下RMII比MII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。

下图为RMII管脚解释：

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

3.GMII（Gigabit Medium Independent）

GMII（Gigabit 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_CLK（PHY输出）。速率要达到1000Mb/s，GTX_CLK/RX_CLK时钟必须125MHz。

下图为GMII管脚解释：

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.RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）

  RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）：千兆以太网，采用RGMII（14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。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，支持传输速率：10M/100M/1000Mb/s ，其对应clk 信号分别为2.5MHz/25MHz/125MHz。

下图为RGMII管脚解释：
  只有时钟TX_CLK/RX_CLK工作在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。

三、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、时钟基准、数据编码等电路，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，经过解调和A/D转换后通过MII，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，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。
  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，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。

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，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）。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。

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，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。

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），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1：1，即网络变压器为1：1传输交流信号。

网络变压器的内部结构：
  

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：
①.电压驱动型的PHY，2线共模电感可以放在PHY侧或线缆侧（RJ45）。
②.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，影响网络的传输。
2.网络变压器的作用：
①.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。
②.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，保护PHY芯片。
③抗干扰：PHY端的中心抽头可为信号提供直流偏置；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，能有效的滤除信号中的杂波，优化传输波形。

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，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，并用RJ45水晶头夹好。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，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，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。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（P和N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，即网线的线序：

2.带变压器RJ45线序

下图为RJ45内部带变压器座子的线序：

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

  1.RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，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，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，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.在RJ45尽量靠近端口侧放置保护器件。
  8.电流型PHY的 2个49.9Ω 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。

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MAC和PHY芯片，在选用MAC和PHY支持介质接口（MII，RMII，GMII,RGMII等）来进行网络的传输，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。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）。