车载以太网物理层

车载以太网物理层
O S I 参考模型的第 1 层（ 最底层）。负责逻辑信号（ 比特流）与物理信号（电信号、光信号）之间的互相转换，通过传输介质为数据链路层提供物理连接。


车载以太网与传统以太网相比，车载以太网仅需要使用1对双绞线，而传统以太网则需要多对，线束较多。
同时，传统以太网一般使用RJ45连接器连接，而车载以太网并未指定特定的连接器，连接方式更为灵活小巧，能够大大减轻线束重量。除此以外，车载以太网物理层需满足车载环境下更为严格的EMC要求，对于非屏蔽双绞线的传输距离可达15m（屏蔽双绞线可达40m）。
虽然车载以太网只采用单对差分电压传输的双绞线，但是100M/s以太网可以通过回音消除技术来实现全双工通信。下面就通过表格形式列举出当前主流的物理层标准：

从上表可知，当下主流的车载以太网协议主要为IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1，常规使用可采用100BASE-T1,如果需要更高带宽，可选择1000BASE-T1。
不过因为速率越高，对车载以太网物理层一致性测试就更为严格。
其中以太网所有物理层的功能全部集中在一个称为“PHY”的模块中，它将以太网控制器以及物理介质连接在一起，并且通过一个标准化接口MII连接，同时PHY模块与底层介质通过MDI接口连接，以100BSASE-T1所示，如下图所示：

物理层PHY接口结构图 （来源：Vector）

物理层PHY：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；
数据链路层MAC：提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。
100BASE-T1在物理连接上使用了一对双绞线实现全双工的信息传输，而100BASE-TX则使用了两对双绞线实现全双工，一对用于收，另一对用于发。
100BASE-T1利用所谓的回音消除技术（echo cancellation）实现了在一对双绞线上的全双工通信。
回音消除技术的主要过程：作为发送方的节点将自己要发送的差分电压加载到双绞线上，而作为接收者的节点则将双绞线上的总电压减去自己发出去的电压，做减法得到的结果就是发送节点发送的电压。
车载以太网固定为全双工通信方式，出于对汽车启动时间的考虑而没有引入自动协商机制，此外车载以太网是通过单对非屏蔽或屏蔽电缆连接。
物理层架构
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

主要包括PMD，PMA和PCS。
PMD，介质依赖层，主要职责是转换PMA的数据与实际网络上的信号。发送时，它从PMA读取数据并执行实现该功能所需的必需的低级行编码功能设计的媒介。接收时，它会读取并解释这些内容编码信号，然后将它们转换回位以发送到PMA。
PMA，介质连接层，介于PMA和PCS之间，其中PMD是按照bit串行处理方式，而PCS则是按照数据块处理方式，因此PMA则是起到串并中间转换的作用，此外还起到数据冲突检测的功能。
PCS，编码子层，主要进行初始编码（3B2T） ，实现特定于以太网速度和传输介质要求的子层中的一部分,它可以把从GMII口接收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出。因为10比特的数据能有效地减小直流分量，降低误码率，另外采用3B2T编码便于在数据中提取时钟和进行首发同步。可以把PCS两头看成GMII接口和TBI接口
注：Broad-Reach的PHY只由PCS和PMA子层组成，没有物理媒介相关（PMD）子层。
物理层控制器的架构
其中，MDI ， Medium Dependent Interface。
MII Medium Independent Interface,
MIIM主要用于寄存器的配置管理。
我们这里需要注意的是RXD 和TXD都是4个数据。
物理层编码原理
首先总线上的电平信号有，-1 0 和 1
如图

数据和电平的编码转换关系有如下表关系：
如数据 000 对应两根线上的电平为 -101

主要数据到电平转换过程为以下四步：
1.首先从MII接收到数据（4bit 4bit…）
2.接下来分割成(3bit 3bit…)进行处理；
3.根据上表，电平与数据编码的关系，转换为电平信号；
4.将电平信号发到总线。

一个案例说明以上的转换过程：

100Mbps 速度的由来：
在微控制器的每个时钟周期中，MII接口到来的数据是4个bit，PHY从MII接口收到数据后，会首先进行一个4B3B的转换，为了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY的MII接口时钟周期应该是33.3333M，每次接收3bit，也实现了33.3333M * 3bit = 100Mbit/s的速率。之后PHY要再进行3B2T的操作，将每次接收到的3个bit转化为2个电平值（取值范围是-1，0，1），具体的对应关系如上图中的表所示。3个bit有8种组合（即2的三次方），两个电平值有9种组成（即3的平方），所以后者可以覆盖前者。此时时钟周期仍然是33.333M，但是每个时钟周期中的两个电平就能够表示3个 bit了，所以此时的数据速率仍然是100Mbit/s，每个电平实际上包含了1.5bit信息。最后一步是PAM3，将逻辑的-1，0，1转化为在双绞线上的电压，所以，最终在总线上信号的波特率是66.666MHz，但是它实现了100Mbit/s的通信速率。