车载以太网-物理层

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前言

近些年来，随着汽车对安全、智能、环保等一系列的高级辅助驾驶功能的需求以及汽车自动驾驶成为汽车发展的一个趋势，越来越多的电子元件需要参与信息的交互，为了满足这一不断增长的需求，车载以太网应运而生。在不久的将来势必会在汽车网络中普遍应用。接下来小编将从入门者的角度，为大家讲解车载以太网的重要知识。
完整以太网OSI参考体系模型中分为7层，在TCP/IP体系模型中分为了5层，如图1所示。物理层是属于整个分层中的最底层，它主要为了解决使用何种信号来传输bit的问题。

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物理层概述

PHY（Physical Layer,物理层）是指数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。由IEEE802.3中定义的一个标准模块，
刚刚已经提到了物理层主要解决的问题是信号的传输，那首先我们需要认识一下传输的媒介。在物理连接上通常使用如图2所示的一些标准，其中10/100/1000是指传输速度，单位是Mbit/s；BASE/BROAD是指基带/宽带传输；T/F是指双绞线/光纤介质；1/2/4/x是指绝对数量了。例如100BASE-T1表示在物理连接上使用了一对双绞线实现全双工的信息传输，全双工意味着既可以接收也可以发送数据。如图3所示。


这里我们会发现有一个十兆以太网，为什么提了速的以太网会混进一个相对低速的以太网呢？这是因为在我们的整车架构中不单单只有以太网一种，还有我们熟知的CAN/CAN FD/LIN和FlexRay等等的低速车载总线，在以以太网为主的网络架构中，为将以太网连接扩展到更多的终端传感器和驱动器，减少传统总线与以太网通信之间的协议转换而导致的成本、复杂性和延时增加，在此驱动下有了对相对低速以太网的需求。

物理层基本架构

物理层主要作用

1. 定义硬件接口；
2. 定义信号与编码；
3. 定义数据与信号之间的转换收发；

物理层基本架构

当物理层在发送数据的时候，需要收到来自上层的数据（对PHY来说，没有帧的概念即收到的都是数据）然后将并行数据转换为串行数据流，再按照物理层的编码规则进行数据编码，之后变为模拟信号将数据发出；收到数据时过程相反。
那么，物理层和数据链路层是如何传送数据呢？结合图4所示。通过MII(Media Independent Interface)接口，即介质独立接口建立连接。接下来就是对数据流的编码以及编码转化为PAM3，这两个过程由属于PHY层设备中的PCS(Physical Coding Sublayer物理编码子层)和PMA(Physical Medium Attachment物理媒介附加子层)这两层完成， PCS在MII与PMA之间实现对Bit流的编码（12个bit为一组），通常采用4B3B、3B2T方法；PMA将PCS形成的编码即符号流转换为PAM3（电压分为-1,0,+1三种状态）。
最底下的MDI(Medium Dependent Interface,媒介相关接口)为PMA层和物理媒介的物理接口。

物理层编码原理

以图5中的例子简单解释编码的过程，总共分为三步：

1. 在微控制器的每个时钟周期内，PHY从MII接收到的数据都是4bit，接收到数据后会首先进行4B3B的转换，因为2个电平值有9种组合，当使用2个电平值去表示4bit的16种组合是不够用的，所以需要先将4bit拆分为3bit的8种组合；
2. 接着再进行3B2T的操作，将每次接收到3个bit转变成2个电平值（取值范围-1,0,1),对照表如图5所示；
3. 最后是PAM3，将逻辑的-1,0,1转换变为双绞线上的电压。
   所以最终总线上的信号的波特率是66.666MBd/s=[(100Mbit/s)/(3bit)x2Baud]，但它实现了100Mbit/s的通信速率。
   

总结

以上就是物理层的简单讲解，更多的其他内容将在后续文章中再进行介绍。