如何玩儿转千兆以太网？

1. 以太网的前世今生

1995年的深秋，在PC时代的圣地--北京中关村，出现了一幅硕大的广告牌，上面写着日后成为经典的广告语：中国人离信息高速公路有多远--向北1500米！如今，被互联网泡着长大的一代，估计很多人都没听说过这家中国最早的互联网公司了。对，它就是瀛海威，其掌门人张树新，是当时无可争议的互联网大姐大，今天一些如日中天的大佬们，当年可是只有登门求教的份儿。

互联网的大潮势不可挡，波澜壮阔，造就了多少睥睨天下的枭雄，又消磨了多少壮怀激烈的豪杰。

说起互联网不能不说一下Xerox施乐公司。据说互联网起源于施乐的一个实验室，当时只是为了把几台PC连接起来传一些数据。看到这个网络出色的表现，Xerox，Intel，和DEC三家公司在1980年发布了第一版互联网协议标准建议书，速度达到了惊人的10M。

虽然这些先驱们最终在互联网领域没有取得很高的成就，但我们今天享受网络带来的便利时，还是要感谢他们一下吧。好了，就扯这么多，下面聊点儿正事儿。

2. 各种标准，眼花缭乱

1983年，IEEE802委员会推出了IEEE802.3标准。之后的一系列以太网标准都是在它的基础上发展起来的，如802.3i，802.3u，802.3bw等等，然后又会看到10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-FX、1000BASE-T1，等等。感觉有点乱，有点儿懵圈。

其实这些看似乱七八糟的命名，还是有一定规律的。首先前面的数字代表频率，10/100/1000分别代表10M，100M和1000M。BASE代表传输的是没有经过调制的基带信号。最后的数字或字母代表传输距离或介质，如5代表500米，T代表使用双绞线(Twisted PAIr Cable)，F代表光纤(Fiber)等等。

10BASE-5：最大传输距离500米，使用50欧姆粗同轴电缆。IEEE802.3

10BASE-2：传输距离为200米，使用BNC连接器，细同轴电缆。IEEE802.3

10BASE-T：传输距离100米，使用RJ45连接器，双绞线。IEEE802.3i

100BASE-TX：广泛采用的100M以太网标准，使用2对双绞线，传输距离100米。IEEE802.3u

100BASE-F： 单模或多模光纤，传输距离2000米左右。

100BASE-T1：单对双绞线，汽车以太网。IEEE802.3bw

1000BASE-T：5类非屏蔽双绞线，传输距离100米。IEEE802.3ab

1000BASE-LX：光纤，长波激光器，传输距离可达3000米。IEEE802.3z

1000BASE-T1：单对双绞线，汽车以太网。IEEE802.3bp

10GBASE-T： 非屏蔽双绞线，10 G以太网。IEEE802.3an

3. 控制器，mac，PHY，网络变压器

如同通过串口收发数据需要UART控制器，电平转换芯片(PHY)和连接器，通过以太网收发数据，需要芯片上集成以太网控制器，以太网PHY和以太网连接器。下面是一个典型的1000BASE-T以太网硬件框图。

RGMII

以太网控制器通过MAC(Media Access Control)连接至PHY，在此使用的是RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口。

RGMII信号定义：

TXC: 发送时钟

TX_CTL: 发送数据控制，包含TXEN和TXERR信息。

TD[3:0]: 发送数据4bits

RXC: 接收时钟

RX_CTL: 发送数据控制，包含RXDV和RXERR信息。

RD[3:0]: 接收数据4bits

MDC: 管理数据时钟

MDIO: 管理数据，完成对PHY的配置管理，状态读取。

对于1000M以太网来说，除了RGMII接口外，还可以使用GMII，SGMII。对于100M以太网，则使用MII，RMII，SMII。我们看一下RGMII的信号定义，其它的接口大同小异，主要就是数据位数，和时钟速率有所不同。

PHY,Ma.NETic

PHY完成数字信号到模拟信号之间的转换，以太网数据通过4对差分信号连接至变压器，经过变压器(Magnetic)隔离，再连接至RJ45连接器。这里有两个地方需要注意：一个是PHY有电压驱动型和电流驱动型，接至变压器的接法不同。再一个是变压器把电路从电气上隔离开，两边的地如何处理。

典型网络变压器如下图。内部组成：1:1变压器，共模电感，中心抽头。

图片自Pulse公司HX5008NL手册

电压驱动型PHY

如果网络变压器的中心抽头，是直接加一个电容到地，就是电压驱动型。

图片自1000M PHY芯片 VSC8562手册

电流驱动型PHY

如果网络变压器的中心抽头，需要提供一个VCC（3.3V或2.5V）电源，就是电流驱动型。

图片自100M PHY芯片DP83848手册

信号地GND到保护地PE的连接

这是一个要注意的地方，变压器连接RJ45线缆侧，地是以PE为参考的，连接PHY一侧是以信号地为参考的。这两边在电气上完全隔离，但是我们看到很多参考设计，用一个0欧电阻又把两边连接在一起，有的则是加一个电容，又标注DNP。有很多大厂的参考设计也是如此，看来大厂也有不靠谱的时候啊。

我们认为比较合适的做法是，用1个1M欧姆的电阻，并联一个高压电容，跨接信号地和PE。这样既保持了变压器两边的隔离，又给静电泄放提供了通道。参考我们之前关于ESD的文章：

关于静电ESD防护，为什么记住100条规则也没啥鸟用

关于静电ESD防护，我们怎样才能免遭毒手

RJ45连接器线序

最后比较让人郁闷的，是变压器到RJ45连接器的连接，它不是按照顺序连，而是按照下面这种比较奇葩的顺序：A+ 1，A- 2 B+ 3，B- 6，C+ 4，C- 5，D+ 7，D- 8。这种歪七扭八的顺序给布线造成了很大的困扰。据说1000M是为了兼容以前的100M网，100M是为了兼容10M，10M是为了兼容以前的电话线。历史太悠久也有不爽的时候。

网线要不要交叉

现在的网口一般都有自动识别和适应的能力，所以用直通线还是交叉线连接，不应该成为一个问题。不过我们还是把两种线序列一下。

参考资料：

TIDA-00204 EMI/EMC Compliant Industrial Temp Dual Port Gigabit Ethernet PHY Reference Design, TI

AN2054 Gigabit Ethernet Design Guide, Microchip

MCIMX8M-EVKB,NXP