車載以太網(wǎng)的物理層功能

來源：汽車ECU網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù) 張大俠

近年來，顧客對汽車的安全性、舒適性、娛樂性要求越來越高，所以汽車上增加的功能也就越來越多，而且大部分新增功能都是通過電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，這就導(dǎo)致車載網(wǎng)絡(luò)上交互的信息量也越來越大，所以汽車行業(yè)的工程師們就想到了把Ethernet/IP技術(shù)移植到汽車上來用，以太網(wǎng)技術(shù)不但支持的帶寬比現(xiàn)在的車載總線大得多， 而且在其他領(lǐng)域已經(jīng)有了足夠豐富的應(yīng)用，技術(shù)和方案成熟，規(guī)模大所以成本也可以控制。 這篇文章先介紹一下車載以太網(wǎng)的物理層技術(shù)。

目前的車載百兆以太網(wǎng)技術(shù)原來的名字叫OABR (Open Alliance BroadR-Reach) ，Open Alliance是包括Broadcom公司在內(nèi)的一些公司搞的一個(gè)聯(lián)盟， BroadR-Reach技術(shù)是Broadcom公司提出的百兆以太網(wǎng)技術(shù)，現(xiàn)在OABR 已經(jīng)由 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化，并命名為100BASE-T1。 傳統(tǒng)的百兆以太網(wǎng)的名字是100BASE-TX，二者在物理層上差別很大。

二者最顯著的區(qū)別就是，100BASE-T1在物理連接上使用了一對雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX則使用了兩對雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工，一對用于收，另一對用于發(fā)。 100BASE-T1利用所謂的回音消除技術(shù)（echo cancellation）實(shí)現(xiàn)了在一對雙絞線上的全雙工通信。 回音消除技術(shù)的大概過程是這樣的，作為發(fā)送方的節(jié)點(diǎn)將自己要發(fā)送的差分電壓加載到雙絞線上，而作為接收者的節(jié)點(diǎn)則將雙絞線上的總電壓減去自己發(fā)出去的電壓，做減法得到的結(jié)果就是發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電壓。

車載百兆以太網(wǎng)100BASE-T1示意圖。 圖片來源：vector

普通百兆以太網(wǎng)100BASE-TX示意圖。 圖片來源：vector

車載以太網(wǎng)的物理層功能全部實(shí)現(xiàn)在一個(gè)名為PHY的模塊上，它將以太網(wǎng)控制器和物理介質(zhì)連接到一起。 以太網(wǎng)控制器和PHY之間通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的名為MII（與介質(zhì)無關(guān)的接口，見下圖）的接口連接。

微控制器和PHY之間的連接示意圖。 圖片來源：vector

對于車載百兆以太網(wǎng)100BASE-T1來說，控制器在MII接口的時(shí)鐘頻率是25MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)出4個(gè)bit（25MHz * 4bit = 100Mbit/s）。 下面介紹一下PHY接收到MII接口來的數(shù)據(jù)流之后的編碼過程。 在發(fā)送端ECU，PHY接收到來自MII的數(shù)據(jù)之后，要經(jīng)過三個(gè)步驟進(jìn)行編碼，才能形成最終發(fā)送到雙絞線上的電信號。 過程下如圖：

PHY中實(shí)現(xiàn)的編碼過程

物理層

以vector提供的一個(gè)例子來講一下。

PHY中的編碼過程示例。 圖片來源：vector

在微控制器的每個(gè)時(shí)鐘周期中，MII接口到來的數(shù)據(jù)是4個(gè)bit，PHY從MII接口收到數(shù)據(jù)后，會首先進(jìn)行一個(gè)4B3B的轉(zhuǎn)換，為了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY的MII接口時(shí)鐘周期應(yīng)該是33.3333M，每次接收3bit，也實(shí)現(xiàn)了33.3333M * 3bit = 100Mbit/s的速率。 之后PHY要再進(jìn)行3B2T的操作，將每次接收到的3個(gè)bit轉(zhuǎn)化為2個(gè)電平值（取值范圍是-1，0，1），具體的對應(yīng)關(guān)系如上圖中的表所示。 3個(gè)bit有8種組合（即2的三次方），兩個(gè)電平值有9種組成（即3的平方），所以后者可以覆蓋前者。 此時(shí)時(shí)鐘周期仍然是33.333M，但是每個(gè)時(shí)鐘周期中的兩個(gè)電平就能夠表示3個(gè) bit了，所以此時(shí)的數(shù)據(jù)速率仍然是100Mbit/s，每個(gè)電平實(shí)際上包含了1.5bit信息。 最后一步是PAM3，將邏輯的-1，0，1轉(zhuǎn)化為在雙絞線上的電壓，所以，最終在總線上信號的波特率是66.666MHz，但是它實(shí)現(xiàn)了100Mbit/s的通信速率。

審核編輯：湯梓紅