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硬件电路设计之以太网电路设计

描述

1 简介

以太网(Ethernet)接口是目前应用最广泛的通讯设备接口,以太网口的电磁兼容性能关系到通讯设备的稳定运行。实现以太网通信硬件电路方法很多,一般情况是CPU+MAC+PHY+网络变压器+RJ45。

  • CPU:中央处理器,主要负责数据的处理。
  • MAC:媒体访问控制层,通常由FPGA实现。
  • PHY:物理层接口,物理层收发器,是一个AD/DA转换器。

接口

以太网根据不同的速率,可以划分为以下几类:

序号种类速率
1经典以太网3~10Mbps
2交换式以太网快速以太网
千兆以太网1000Mbps
万兆以太网10000Mbps

正是由于以太网的存在,从真正意义上实现万物互联。

2 RJ45连接器

RJ45的全称是注册的插座,其中RJ是Registered Jack的缩写。

  • 百兆以太网

RJ45 接口定义以及各引脚功能说明如下图所示,在以太网中只使用了 1、2、3、6 这四根线,其中 1、2 这组负责传输数据(TX+、TX-),而 3、6 这组负责接收数据(RX+、RX-),另外四根线是备用的。

接口

  • 千兆以太网

RJ45 接口定义以及各引脚功能说明如下图所示,在以太网中只使用了 1、2、3、4、5、6、7、8 这四根线,其中 1、2 这组负责传输数据(TX+、TX-),3、6 这组负责接收数据(RX+、RX-),4、5和7、8这两组负责双向数据传输。

接口

网口一般有两个LED信号指示灯,两个LED用于指示通信状态:

  • 绿色

绿色为连接状态指示灯,绿色灯常亮表示连接成功,不亮表示未连接成功。

  • 黄色

黄色指示灯闪烁,表示当前有信号传输;黄色指示灯不闪烁,表示当前无信号传输。

有些RJ45内部集成了网络变压器,有些RJ45需要外置网络变压器。网络变压器可以分为百兆网口网络变压器和千兆网口网络变压器。

  • 百兆RJ45网络变压器

有两组变压器,内部结构如图所示。

接口

  • 千兆RJ45网络变压器

有四组变压器,内部结构如图所示。

接口

3 电流型PHY和电压型PHY

根据PHY的类型不同,中心抽头的连接方式也不同:

  • 电流型PHY

中心抽头连接VCC(PHY的电源电压),详情见下图:

接口

  • 电压型PHY

中心抽头接对地电容,详情见下图:

接口

4 接口介绍

媒体访问控制层(MAC)和媒体访问控制层(PHY)之间常有一个接口,该接口常用MII、RMII、GMII、RGMII。

接口

  • MII

MII支持10Mbps和100Mbps(时钟频率对应为25Mhz),数据位宽为4。

信号名称描述方向
TX_CLK发送时钟PHY → MAC
TX_ER发送数据错误MAC → PHY
TX_EN发送使能MAC → PHY
TXD0发送数据位0(最先传输)MAC → PHY
TXD1发送数据位1MAC → PHY
TXD2发送数据位2MAC → PHY
TXD3发送数据位3MAC → PHY
RX_CLK接收时钟PHY → MAC
RX_DV接收数据有效PHY → MAC
RX_ER接收数据错误PHY → MAC
RXD0接收数据位0(最先传输)PHY → MAC
RXD1接收数据位1PHY → MAC
RXD2接收数据位2PHY → MAC
RXD3接收数据位3PHY → MAC
CRS载波监测PHY → MAC
COL冲突碰撞监测PHY → MAC
MDIO管理数据双向
MDC管理数据时钟MAC → PHY
  • RMII

数据位宽为2位,传输速率为100Mbps,对应的是时钟频率为125Mhz。

信号名称描述方向
REF_CLK参考时钟MAC→PHY或由外部时钟源提供
TX_EN发送数据使能MAC → PHY
TXD0发送数据位0(最先传输)MAC → PHY
TXD1发送数据位1MAC → PHY
RX_ER接收错误PHY → MAC
RXD0接收数据位0(最先传输)PHY → MAC
RXD1接收数据1PHY → MAC
CRS_DV载波和接收数据有效PHY → MAC
MDIO管理数据双向
MDC管理数据时钟MAC → PHY
  • GMII

数据速率支持10Mbps、100Mbps、1000Mbps,数据位宽为8位,其中在1000Mbps时,其时钟为120Mhz。

信号名称描述方向
GTX_CLK1000M发送时钟MAC → PHY
TX_CLK100/10M发送时钟MAC → PHY
TX_ER发送数据错误MAC → PHY
TX_EN发送使能MAC → PHY
TX_[7:0]发送数据8bitMAC → PHY
RX_CLK接收时钟PHY → MAC
RX_DV接收数据有效PHY → MAC
RX_ER接收数据错误PHY → MAC
RX_[7:0]接收数据8bitPHY → MAC
CRS载波监测PHY → MAC
COL冲突碰撞监测PHY → MAC
MDIO管理数据双向
MDC管理数据时钟MAC → PHY
  • RGMII

数据位宽位为4,在1000Mbps时,对应的始终频率为125Mhz,这种方式是在上升沿和下降沿同时进行采样。

信号名称描述方向
TXC发送时钟MAC→PHY
TX_CTL发送数据控制MAC → PHY
TXD[3:0]发送数据4bitMAC → PHY
RXC接收时钟PHY → MAC
RX_CTL接收数据控制PHY → MAC
RXD[3:0]接收数据4bitPHY → MAC
MDIO管理数据双向
MDC管理数据时钟MAC → PHY

注意:RMII是MII的简化版;RGMII是GMII的简化版。

5 以太网电路实战

此处以RTL8211E和DP83848J设计为例。

  • RTL8211E电路设计

接口

  • DP83848J电路设计

接口

接口

接口

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