今天跟大家分享一下以太網(wǎng)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。
以太網(wǎng)（Ethernet）是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信方式之一，廣泛應(yīng)用于：
路由器、交換機(jī)——構(gòu)建局域網(wǎng)（LAN）
電腦、服務(wù)器——高速數(shù)據(jù)傳輸
工業(yè)設(shè)備、智能家居——穩(wěn)定可靠的通信
本文將分析以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)，涵蓋MAC/PHY架構(gòu)選擇、網(wǎng)絡(luò)變壓器作用、PCB布局走線要點(diǎn)，幫助大家優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高通信穩(wěn)定性。
01 以太網(wǎng)電路硬件架構(gòu)
以太網(wǎng)接口的硬件電路通常由以下部分組成：???? CPU（處理數(shù)據(jù)）???? MAC（媒體訪問(wèn)控制層）???? PHY（物理層芯片）???? 網(wǎng)絡(luò)變壓器（信號(hào)隔離與增強(qiáng)）???? RJ45接口（物理連接）
隨著芯片集成度提高，設(shè)計(jì)方式也在不斷優(yōu)化，以下是幾種常見(jiàn)方案對(duì)比：
MDIO總線接口，主要是完成CPU對(duì)于PHY芯片的寄存器配置；MII即媒體獨(dú)立接口，也叫介質(zhì)無(wú)關(guān)接口。常見(jiàn)的有MII、RMII、GMII、RGMII等。“媒體獨(dú)立”表明在不對(duì) MAC 硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類(lèi)型的 PHY 設(shè)備都可以正常工作。
對(duì)于上述四部分，并不一定都是獨(dú)立的芯片，主要有以下幾種情況：
PHY整合了大量的模擬硬件，而MAC是典型的全數(shù)字器件，芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，是將MAC集成進(jìn)微控制器而將PHY留在片外的原因。更靈活、密度更高的芯片技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合；
結(jié)論：
- 方案2（CPU集成MAC+PHY + RJ45帶變壓器）最優(yōu)，器件少、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。
02 關(guān)鍵元件解析：PHY、網(wǎng)絡(luò)變壓器、RJ45
1、PHY芯片：數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的橋梁
- 作用：將MAC層的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)線傳輸?shù)哪M信號(hào)。
關(guān)鍵參數(shù)：
- 速率：10/100Mbps（百兆）、1000Mbps（千兆）
- 接口類(lèi)型：MII/RMII/GMII（與MAC通信）
- 傳輸距離：千兆以太網(wǎng)支持最長(zhǎng)100米的雙絞線傳輸
- 特殊功能：部分PHY芯片支持POE（以太網(wǎng)供電）
2、 網(wǎng)絡(luò)變壓器：信號(hào)隔離與增強(qiáng)
網(wǎng)絡(luò)變壓器（也叫以太網(wǎng)隔離變壓器）是保證通信穩(wěn)定的關(guān)鍵，主要作用：電氣隔離——阻斷PHY與RJ45之間的直流分量，保護(hù)芯片；抑制共模干擾——減少外部電磁干擾（EMI）；阻抗匹配——優(yōu)化信號(hào)傳輸質(zhì)量。
3、RJ45接口：百兆 vs. 千兆
百兆（100BASE-TX）：僅使用 2對(duì)（4芯）雙絞線（Cat5或更高規(guī)格電纜中的1-2、3-6線對(duì)）：
1對(duì)（TX+、TX-）用于發(fā)送數(shù)據(jù)，
1對(duì)（RX+、RX-）用于接收數(shù)據(jù)，
其余2對(duì)未使用。
RJ45 插座 10M/100M 接口定義
- 千兆（1000BASE-T）：使用 全部4對(duì)（8芯）雙絞線（Cat5e或更高）：
以太網(wǎng)可以通過(guò)自動(dòng)協(xié)商協(xié)議選擇工作模式，通常會(huì)自動(dòng)選擇全雙工模式，但也可能回退到半雙工模式。
RJ45 插座 1000M 接口定義
03 PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1、整體布局
- 盡量靠近RJ45，縮短差分走線長(zhǎng)度。
- 下方避免其它信號(hào)線，防止干擾。
2、差分線（TX/RX）走線規(guī)則
- 等長(zhǎng)匹配（要求長(zhǎng)度差≤5mil）。
- 阻抗控制（通常100Ω差分阻抗）。
- 避免銳角走線，減少信號(hào)反射。
3、網(wǎng)口與變壓器PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1、耐壓隔離
網(wǎng)絡(luò)變壓器中間隔離區(qū)需足夠?qū)?，確保耐壓要求。
PHY與RJ45需分屬不同地平面，禁止跨平面布局或走線。
3.2、抗干擾處理
變壓器下方所有層挖空，避免底層銅箔引入噪聲。
3.3、差分線布線
優(yōu)先走底層，遠(yuǎn)離網(wǎng)口外殼接地層。
阻抗建議控制在100Ω±10%（非強(qiáng)制但推薦）。
3.4、外殼接地
網(wǎng)口金屬外殼接地線需加粗，確保低阻抗連接。
4、Bob Smith連接隔離繞組的中心抽頭有一個(gè)“Bob Smith”端接， 通過(guò)75?電阻和1000pF電容連接到機(jī)殼地，這個(gè)阻容的作用就不贅述了，感興趣可以自己在網(wǎng)上去查。
5、網(wǎng)口若帶LED指示燈，通常包含：
LED_LINK（連接指示燈）——顯示物理鏈路狀態(tài)，異常時(shí)可能是網(wǎng)線、端口或?qū)Χ嗽O(shè)備問(wèn)題；LED_SPEED（速率指示燈）——顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)速度，異常時(shí)可能因網(wǎng)線質(zhì)量差或信號(hào)不良。
PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)：優(yōu)先走差分線，LED信號(hào)線需避開(kāi)并用地平面隔離。
6、晶振處理25MHz晶體下方應(yīng)避免走其他信號(hào)線，并需進(jìn)行完整的包地處理。由于以太網(wǎng)的25MHz時(shí)鐘一旦出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)帶來(lái)較大調(diào)試難度，因此必須確保晶振部分的包地處理完善可靠。
當(dāng)然，本文旨在拋磚引玉，內(nèi)容并不完全，篇幅有限，就寫(xiě)到這里了，歡迎大家留言更正補(bǔ)充。