[ElfBoard]网口详细讲解

eefocus_3945399

了解网口通信基本原理

实现网络通信实质上是PHY与MAC及RJ45接口实现信号传输。MAC 就是以太网控制器，MAC属于数据链路层，主要负责把数据封装成帧，对帧进行界定实现帧同步。对MAC地址和源MAC地址及逆行相应的处理并对错误帧进行处理。PHY属于物理层，在以太网控制器中负责物理层功能的芯片叫PHY芯片，因为网线上传输的是模拟信号而MAC发出或接收的信号为数字信号所以PHY主要负责对网络数据的编解码处理以及一些网络状态的控制。RJ45就是我们常用的网口座子。

在嵌入式领域通常MAC是被集成在CPU里面的，这种方案是目前的主流方案，PHY层（物理层）一般是使用专用的PHY芯片。如果要PHY芯片在一个特定的模式下工作就需要对PHY芯片进行控制，在这里用到的是MDIO总线。通过MDIO总线对PHY芯片的寄存器进行相应配置实现一些模式以及功能的控制。而数据信息，是由另外的网络协议接口进行传输，例如ELF 1上的PHY和MAC之间是用的RMII接口实现的数据传输，整体架构如图2.4所示：

图2.4 三者关系图

了解MDIO总线

MDC是开漏（OD）输出，只能输出低电平，因此需要上拉处理，为MDIO提供时钟信号；根据KSZ8081RNB芯片手册（数据手册中查找），MDIO管理接口数据传输格式及含义如下表所示：

需要注意的是，TA在读操作和写操作两种状态下数据位不同，TA是介于寄存器地址和寄存器数据之间的2个bit位，用来转换数据传输方向。读操作时，地址传输和数据传输控制方不同，设置2bit TA的目的就是为了防止MDIO总线上产生竞争。TA的第1位z，PHY和MAC均释放总线控制输出高阻，且后面MAC一直保持高阻态状态，第2位0由PHY提供。第2位相当于一个应答信号，如果第2位为高电平，PHY无应答。除此之外，Idle为空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平。

表2.1

名称	注释
Preamble	前导位32bit，建立MAC和PHY芯片之间的同步
Start	起始位2bit，固定发送01表示数据传输开始
OP	读写位2bit，10为读操作，01为写操作
PHY Address	PHY芯片MDIO接口地址5bit
REG Address	MDIO寄存器地址5bit
TA	地址传输和数据传输转换时的空闲时间2bit
DATA	数据位16bit
Idle	空闲状态

关于网络信号模式

常见网络信号模式包含：MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII。每种模式包含的信号线数量和控制线数量各不相同，通讯速度也不相同：MII、RMII为百兆网络，GMII、RGMII、SGMII为千兆网络。区别和关系可以参考表2.2和图2.5。各模式工作原理可根据我们的视频进行详细了解。

表2.2 常见网络模式区别

类型	收发 信号数	时钟数	使能数	错误提示 信号	检测 信号数	合计	速度
MII	TXD 4根 RXD 4根	TX_CLK 1根 RX_CLK 1根	TX_EN 1根 RX_DV 1根	TX_ER 1根 RX_ER 1根	CRS 1根 COL 1根	16	百兆
RMII	TXD 2根 RXD 2根	CLK_REF 1根	TX_EN 1根	RX_ER 1根	CRS与RX_DV共用 1根	8
GMII	TXD 8根 RXD 8根	GTX_CLK1根 RX_CLK 1根	TX_EN 1根 RX_DV 1根	TX_ER 1根 RX_ER 1根	CRS 1根 COL 1根	24	千兆
RGMII	TXD 4根 RXD 4根	TX_CLK 1根 RX_CLK 1根	TX_EN与TX_ER共用 1根	RX_DV与 RX_ER共用 1根	CRS 1根 COL 1根	14
SGMII	TXD RXD各1对差分对	由PYH提供的参考时钟1根				5

网络变压器

ELF 1使用的RJ45内部集成了网络变压器，其4、5脚位中心抽头引脚，该引脚有两种接法：电流型，中心抽头直接接电源；电压型，中心抽头通过100nF电容接地（ELF 1的接法，引脚4、5接100nF电容C87和C88）。

实际使用中需要如何处理中心抽头需要根据PHY芯片的驱动类型确定。

PHY芯片电路原理说明

ELF 1开发板最多支持两路百兆网口，底板（图2.5）和扩展板（图2.6）上各一路。ELF 1使用两个型号为KSZ8081RNB的PHY芯片实现网络通信，通过对前几段内容的了解可以分析出，KSZ8081RNB是通过MDIO总线挂载到ELF 1上的，MDIO总线对应芯片的11、12引脚主要负责通过配置PHY芯片KSZ8081RNB的寄存器控制PHY芯片的网口速率、网口双工模式、自协商使能等功能。KSZ8081RNB的数据接口是通过RMII和ELF 1连接，并传输网络数据的。

ENET_PHYAD0、ENET_PHYAD1和ENET_RXD1在芯片上电复位时会锁存一个电平状态作为芯片的PHY地址，在芯片上电后，其数据被锁存到相应寄存器中，而后恢复芯片的默认功能，不会影响通信。由于该款芯片有三条地址线，因此理论上同一块板子最多可以挂载7颗（001—111。000作为广播地址，是不可以被使用的）；

ENET_CRS_DV、ENET_CFG1、ENET_CFG0是芯片接口模式选择， ELF 1设置为100；

图2.5 底板网口原理图

图2.6 扩展板网口原理图

网口电路设计指南

（1）ELF 1可支持两路百兆网。

（2）设计网口电路时8081的10号引脚必须连接6.49K_%1精度的电阻，否则可能会影响网口正常工作出现芯片无法挂载、网口不Link等问题。

（3）MDIO以及RMII接口的引脚要注意电平匹配，核心板为3.3V电平。

（4）MDIO总线上需要加上拉电阻阻值可以根据实际情况调整。

网口PCB设计指南

（1）MDIO总线上挂载多个PHY芯片时，使用串联方式，不要分叉布线

（2）RGMII接口分为发送信号，接收信号和控制信号，各组阻抗控制在50Ω±10%

（3）发送信号和接收信号，布线长度不超过100mm，组内信号长度误差不超过2.54mm

（4）时钟预留对地电容，方便后期调试

（5）MDI接口采用差分布线，阻抗100Ω±10%

（6）MDI组内差分误差不超过0.12mm

（7）芯片内部DCDC连接的功率电感要靠近芯片保证回路最短，并且保证地回路的完整；

（8）数据线上预留的串联电阻需要靠近源端放置；

（9）保护器件建议放置在变压器内侧，在变压器和PHY之间，靠近变压器；

（10）供电部分要考虑电流的大小，线宽尽量宽一点。要有足够的载流能力，滤波电容的位置尽量靠近芯片。

（11）网口 RJ45 在布线时要注意进行隔离地。

网口问题排查思路

在遇到网口问题时排查网口问题首先要明确问题点，网口不通的情况下首先要看 PHY 有没有成功挂载上，可通过是否可以启动网卡来判断，如果根本看不到设备节点或者在输入启动网卡的命令后报错，找不到 PHY 芯片说明 PHY 芯片没有成功挂载。如果可以正常启动网卡说明 PHY 可以成功挂载。

如果 PHY 没挂载上排查思路如下：

（1）首先看是否有缺件、少件，原件焊接错误的情况，PHY 芯片焊接是否过关等。

（2）检查各路供电是否正常，电源是否稳定，是否有明显压降、跌坑现象。滤波电容容量是否达标。

（3）检查复位电路是否有复位动作，复位后是否可以正常抬起复位信号，复位信号低电平的维持时间是否满足 PHY 的要求。

（4） 检查芯片的时钟频率、幅值、以及信号质量是否满足手册要求。不同类型的时钟输入方式原理是否正确。

（5）检查 PHY 芯片的地址、模式、电平配置等参数设置的上下拉电阻是否正常。

（6）检查 MDIO 总线的波形幅值、斜率、是否正常，振铃是否严重，是否有下降沿压降不到 0 的现象，在 MDC 的上升沿来临时 MDIO 的电平维持时间是否满足手册要求等问题。

先将芯片成功挂载后再看网口通不通。如果经过以上检测排查成功将 PHY 芯片挂载但是网口还是不通,那就需要继续检查数据接口部分。根据不同接口的规定来对数据接口的总线进行检查。

（1）按照具体的接口形式检查数据线连接是否正确，尤其是在使用MII,RMII,GMII,RGMII时的线序。检查参考时钟波形是否正常。

（2）检查网络变压器的中心抽头的接法是否与PHY 规定的网络变压器的驱动类型相对应。

总结

上文我们对网口部分中几处重要的知识点进行了逐一的讲解，然而“纸上得来终觉浅”，还是希望大家可以在学习的过程中亲自动手去测，去排查，去熟悉我们的网口模块，这样才能学习的更加透彻。如果大家在学习的过程中有任何的问题，也欢迎大家和我们的技术支持进行进一步沟通和交流，我们期待和您共同进步。