整車(chē)的EEA（Electrical/Electronic Architecture，電子電器架構(gòu)）中，以太網(wǎng)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(chēng)為FE（Fast Ethernet，快速以太網(wǎng)），對(duì)于100MHz的以太網(wǎng)，汽車(chē)中，常用的又包括100BASE-T1和100BASE-TX，以太網(wǎng)的使用中，不知大家是否產(chǎn)生過(guò)這樣的疑問(wèn)：

FE的100MHz通信速率如何產(chǎn)生？

FE的100MHz通信速率與通信接口關(guān)系？

FE（100Base-TX）的編碼規(guī)則？

帶著這些疑問(wèn)，本文基于100BASE-TX，展開(kāi)聊聊。

1、MAC與PHY接口

uC的MAC（Media Access Control） Controller發(fā)送/接口Ethernet Frame需要依賴PHY芯片**（Phy**sical Layer，物理接口層）。 項(xiàng)目中，使用不同的速率的Ethernet，對(duì)應(yīng)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(lái)說(shuō)，uC大都會(huì)支持1000M Ethernet，但是，出于成本考慮，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，會(huì)選用不同的PHY芯片，不同的PHY芯片型號(hào)，可能支持的Ethernet速率會(huì)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(shí)，需要先確認(rèn)PHY能兼容的接口有哪些。

（一）DP83825I與MAC之間的信號(hào)線

PHY（DP83825）與MAC、RJ45之間的物理連接關(guān)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(hào)線外加一個(gè)時(shí)鐘參考線。

TXD[1:0]：數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)，共2根信號(hào)線；；

RXD[1:0]：數(shù)據(jù)接收信號(hào)，共2根信號(hào)線；

TX_EN(TransmitEnable)：數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號(hào)；

RX_ER(ReceiveError)：數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤指示信號(hào)（可選）；

CLK_REF：外部時(shí)鐘源提供50MHz參考時(shí)鐘，由PHY芯片提供給MAC。

CRS_DV：此信號(hào)是由MII接口中的RX_DV和CRS兩個(gè)信號(hào)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(hào)線示意如下：

2、FE（100Base-TX）的100MHz通信速率如何產(chǎn)生？

兩個(gè)ECU使用100Base-TX的以太網(wǎng)通信連接示意如下所示：

對(duì)于RMII接口，參考時(shí)鐘為外部時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率50MHz，收/發(fā)過(guò)程中，均使用兩條數(shù)據(jù)線，因此，傳輸速率100MHz（2 * 50MHz）就是這么來(lái)的，即：一個(gè)Clock可以傳輸2個(gè)bit。 這里的100是指PHY從MAC接收/發(fā)送的速率，實(shí)際總線上傳輸?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)（差分信號(hào)）帶寬并不是100MHz。 模擬信號(hào)帶寬不是100MHz，是多少呢？答：模擬信號(hào)的速率與以太網(wǎng)的編碼格式有關(guān)。

3、FE(100Base-TX)的編碼規(guī)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(jìn)行編碼和解碼，進(jìn)而生成差分電壓。

（一）4B5B編碼

MAC會(huì)通過(guò)多條發(fā)送數(shù)據(jù)線（Tx_D[n]）將要發(fā)送的信息并行發(fā)送給PHY，PHY收到數(shù)據(jù)以后，先進(jìn)行串行序列化處理，之后進(jìn)行4B5B編碼。

4B5B編碼就是使用5Bit表示4Bit（實(shí)際要發(fā)送的數(shù)據(jù)），即：在4bit待發(fā)送數(shù)據(jù)中插入0或者1構(gòu)成5bit。 4Bit數(shù)據(jù)，可以構(gòu)成2^4 = 16種組合，而5bit，可以構(gòu)成2^5 = 32種組合，所以會(huì)有一部分5bit組合用于控制。

4B5B對(duì)應(yīng)編碼、解碼表如下所示：

示例：PHY收到MAC發(fā)送的數(shù)據(jù)0000 0001，經(jīng)過(guò)4B5B編碼后，變成11110 01001，如下所示：

經(jīng)過(guò)4B5B編碼以后，編碼效率降低，因?yàn)椴迦肓艘粋€(gè)無(wú)效bit，編碼率 = 4/5 =80%。

PHY從MAC端接收數(shù)據(jù)時(shí)，速率是100Mbps，經(jīng)過(guò)4B5B編碼后，數(shù)據(jù)帶寬變成125MHz，如果使用5類(lèi)非屏蔽雙絞線（UTP）傳輸，不可行，因?yàn)?類(lèi)非屏蔽雙絞線最高支持 100MHz 的數(shù)據(jù)帶寬。 所以，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)4B5B編碼后，需要使用其他方式降低帶寬，以便于使用5類(lèi)非屏蔽雙絞線（UTP）傳輸數(shù)據(jù)。 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(jīng)過(guò)MLT-3編碼，帶寬進(jìn)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(guī)則：正電平表示邏輯1，負(fù)電平表示0，每次傳輸一個(gè)邏輯電平后需要返回零電平。

eg：RZ方式傳輸1011數(shù)據(jù)時(shí)，電平變化如下所示：

對(duì)于RZ，每次操作都需要?dú)w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(shù)據(jù)時(shí)，電平變化如下所示：

但是，使用NRZ方式，雖然不浪費(fèi)帶寬，但是，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，出現(xiàn)連續(xù)1或者0時(shí)，接收端會(huì)因識(shí)別不到電平變化可能采樣錯(cuò)誤，即：無(wú)法與發(fā)送端進(jìn)行時(shí)鐘同步。 所以，又進(jìn)一步的引入了NRZI編碼方式，你可能會(huì)說(shuō)：NRZI也沒(méi)有同步的能力。 如果發(fā)送端先發(fā)送一個(gè)同步包，接收端即可進(jìn)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(guī)則是什么呢？答：0表示電平有反轉(zhuǎn)，1表示電平?jīng)]有反轉(zhuǎn)。

eg：NRZ、NRZI方式傳輸1011數(shù)據(jù)時(shí)，電平變化對(duì)比如下所示：

（三）MLT-3編碼

MLT-3編碼使用3個(gè)電平（正電平、負(fù)電平、零電平）編碼要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，MLT-3的編碼規(guī)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(chǎn)生跳變，此時(shí)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(hào)極性和最近一個(gè)非“0”相反。

eg：MLT-3方式傳輸1011數(shù)據(jù)時(shí)，電平變化對(duì)比如下所示：

審核編輯：湯梓紅