如何在以太網(wǎng)物理層PHY上解決功耗、延遲以及數(shù)據(jù)可拓展性問(wèn)題

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）以太網(wǎng)，一個(gè)我們時(shí)常提到的概念。雖然我們已經(jīng)在對(duì)以太網(wǎng)的了解與應(yīng)用上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但以太網(wǎng)在實(shí)際使用中仍然經(jīng)常遇到不少挑戰(zhàn)，有可能是功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、也有可能是布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn)，還有可能是危險(xiǎn)工況的挑戰(zhàn)等等。

通過(guò)以太網(wǎng)物理層設(shè)備能夠解決一些困難，以太網(wǎng)PHY作為一種物理層收發(fā)器器件，根據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)模式收發(fā)以太網(wǎng)幀。在OSI模式中，以太網(wǎng)覆蓋物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，并由IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層指定電信號(hào)類型、信號(hào)速度、介質(zhì)和連接器類型以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shí)施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

PHY的關(guān)鍵因素考量

功耗問(wèn)題肯定是首當(dāng)其沖的，以太網(wǎng)物理層的功耗對(duì)系統(tǒng)的總功耗有著重大影響，采用低功耗物理層設(shè)備能夠?yàn)橄到y(tǒng)中的FPGA/MCU/處理器預(yù)留提供更多的可用功耗。就單個(gè)設(shè)備而言，它整體的功耗預(yù)算在選用PHY之前就已經(jīng)確定了，一般不會(huì)留給物理層太多的功耗預(yù)算，加之線路和環(huán)形拓?fù)湫枰獌蓚€(gè)端口和兩個(gè)PHY，數(shù)據(jù)輸入和輸出的功耗要按翻倍來(lái)算，功耗不低根本不足以滿足整個(gè)設(shè)備的連接要求。

第二處考量則和延遲與同步相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間是控制器收集和更新所有器件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所需的通信時(shí)間，低延遲PHY能大大減少網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間，從而縮短網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間，單個(gè)周期內(nèi)將允許更多器件連接到網(wǎng)絡(luò)。在帶寬滿足數(shù)據(jù)吞吐量的前提下，降低延遲是完成同步最有效的辦法。帶寬已經(jīng)滿足了吞吐量的要求，再一味拔高帶寬對(duì)延遲反而會(huì)有副作用。當(dāng)然，具體的延遲會(huì)根據(jù)協(xié)議不同略有差異。

最后一點(diǎn)是老生常談的穩(wěn)健性，PHY需要在惡劣的工作環(huán)境下，能夠承受外部輻射和傳導(dǎo)噪聲源。穩(wěn)健可靠的PHY需要應(yīng)對(duì)浪涌、快速瞬變脈沖、ESD、射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)干擾等等風(fēng)險(xiǎn)。

在這三點(diǎn)考量之外，其實(shí)數(shù)據(jù)速率的可拓展性對(duì)于PHY也很重要，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)連接采用100 Mbps PHY中運(yùn)行工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)連接，PLC和運(yùn)動(dòng)控制器之間的連接需要高帶寬的千兆（1000BASE-T）TSN以太網(wǎng)連接，采用支持不同協(xié)議數(shù)據(jù)速率的PHY將讓整個(gè)系統(tǒng)拓展性大增。

Ethernet-APL標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的數(shù)據(jù)速率可拓展性突破

數(shù)據(jù)速率的可拓展性與Ethernet-APL有著直接關(guān)系。Ethernet-APL，以太網(wǎng)高級(jí)物理層，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是基于單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）的增強(qiáng)物理層，按照新的10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，將以太網(wǎng)設(shè)備的進(jìn)展推動(dòng)了一大步。Ethernet-APL作為以太網(wǎng)的邏輯擴(kuò)展，能夠支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級(jí)別的協(xié)議。

遠(yuǎn)距離的單對(duì)以太網(wǎng)10BASE-T1L物理層設(shè)備可以將以太網(wǎng)連接延伸至遠(yuǎn)程位置的邊緣節(jié)點(diǎn)，該技術(shù)支持傳送新的數(shù)據(jù)流、額外的過(guò)程變量和輔助測(cè)量數(shù)據(jù)。Ethernet-APL能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接到更高級(jí)別的系統(tǒng)，從而首次實(shí)現(xiàn)跨所有流程管理的統(tǒng)一通信基礎(chǔ)設(shè)施。要與支持以太網(wǎng)APL的設(shè)備進(jìn)行通信，需要具有集成介質(zhì)訪問(wèn)控制的主機(jī)處理器或具有10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)設(shè)備。

如上圖，該器件集成以太網(wǎng)PHY內(nèi)核以及所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時(shí)鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器以及MAC接口和控制邏輯，用以支持Ethernet-APL過(guò)程自動(dòng)化帶來(lái)長(zhǎng)距離、穩(wěn)健的10BASE-T1L以太網(wǎng)連接。

Ethernet-APL直接加快了跨行業(yè)的IT/OT網(wǎng)絡(luò)融合，借助以太網(wǎng)物理層設(shè)備，下游應(yīng)用可以在集成了Ethernet-APL的設(shè)備上自由實(shí)施多種協(xié)議，大大提高數(shù)據(jù)速率的可拓展性。

小結(jié)

在終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量加速增長(zhǎng)的背景下，為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的無(wú)縫傳輸，如何在以太網(wǎng)物理層PHY上解決功耗、延遲以及數(shù)據(jù)可拓展性問(wèn)題至關(guān)重要。在Ethernet-APL的加持下，這些物理層設(shè)備有望徹底解決以太網(wǎng)在實(shí)際使用中遇到的各種挑戰(zhàn)。