深入解析：【车载以太网】以太网硬件

Switch

MAC地址与端口号。当Switch从某一端口收到一个包时(不讨论广播包)，它要对地址表执行两个动作：就是Switch中有一个地址表，表中的每一项主要

否已在地址表中，如果没有，则将该MAC地址加到地址表中，这样以后就知道该MAC地址在哪一个端口；就是1、一是检查该包的源MAC地址

2、二是检查该包的目的MAC地址是否已在地址表中，如果该MAC地址已在地址表中，则将该包发送到对应的端口即可，如果该MAC地址不在地址表中，则将该包发送到所有其它端口(源端口除外)，相当于该包是一个广播包。

每台计算机打开后，其上面的NIC(networkinterface controlle， 网络接口控制器，网卡)会定期发出空闲包或信号，交换机可据此得知其存在及MAC地址，所谓自动地址学习就此意。

Auto-aging指的是：若一定时间内未见已出现的MAC地址发出包，则将此MAC地址从“MAC—端口号表”中清除，此MAC地址重新出现时将会被当作新地址处理。

Switch与HUB

最大差别是：Switch会记忆哪些MAC地址挂在哪个端口上，也就是说Switch中有一个地址表，而HUB没有。

HUB

集线器是物理层(OSI第一层)设备，核心作用是将信号进行“接收-恢复放大-发送”。

双绞线、光纤在传输信号的时候，随着距离的增大，信号会减弱造成失真，借助集线器能够让信号传播更远的距离；同时集线器上有很多接口，能够扩大LAN的规模。

同一集线器上的所有设备共享带宽，如果设备数量过多的话，会造成链路拥堵，严重的会产生广播风暴。

PHY

PHY(PhysicalLayer，物理层)是IEEE802.3定义的一个标准模块，STA(stationmanagement entity，管理实体，一般为MAC或CPU)通过SMI(SerialManage Interface)对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。一个PHY的核心结构如下图：

PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。IEEE-802.3标准定义了以太网PHY包括MII/GMII(介质独立接口)子层、PCS(物理编码子层)、PMA(物理介质附加)子层、PMD(物理介质相关)子层、MDI子层。

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据(对PHY来说，没有帧的概念，对它来说都是数据，而不管什么地址、材料还是CRC)，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把资料送出去。收资料时的流程反之。

通过PHY还有个重要的机制就是实现CSMA/CD的部分功能。它允许检测到网络上是否有资料在传送，要是有素材在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送材料出去。假如两个碰巧同时送出了信息，那样必将造成冲突。这时候，冲突检测机构能够检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。这个随机时间并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付，两台主机之间出现第二次冲突概率很低。

MAC与PHY的连接

MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为SMI接口和MII接口。

MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、RGMII、SGMII等。这里简要介绍其中的MII和RMII，如下图所示。

MII

MII支持2种速率10M和100M，利用16根线。其中CRS与COL只在半双工模式高效，而车载以太网固定工作在全双工模式下，故应该14根线。

RMII

RMII(Reduced MII，精简MII)支持2种速率10M和100M，只有8根线。

GMII

RGMII

RGMII（ReducedGigabit Media Independent Interface）是ReducedGMII（吉比特介质独立接口）。同时兼容MII所规定的10/100Mbps工作方式，协助传输速率：10M/100M/1000Mb/s，其对应clk信号分别为：2.5MHz/25MHz/125MHz。RGMII数据结构符合IEEE以太网标准，接口定义见IEEE802.3-2000。

RGMII均采用4位素材接口，工作时钟125MHz，并且在上升沿和下降沿同时传输数据，因此传输速率可达1000Mbps。采用RGMII的目的是降低电路成本，使构建这种接口的器件的引脚数从25个减少到14个。

SMII

SMII(Serial MII，串行MII)，只有4根线。

引脚	描述
TXD	发送数据信号
RXD	接收数据信号
SYNC	收发数据同步信号，每10个时钟周期置1次高电平，指示同步。
CLK_REF	所有端口共用的一个参考时钟，频率为125MHz。 为什么100Mbps速率要用125MHz时钟？因为在每8位素材中会插入2位控制信号，请看下面介绍。

TXD/RXD以10比特为一组，以SYNC为高电平来指示一组数据的开始，在SYNC变高后的10个时钟周期内，TXD上依次输出的内容是：TXD[7:0]、TX_EN、TX_ER，控制信号的含义与MII接口中的相同；RXD上依次输出的数据是：RXD[7:0]、RX_DV、CRS，RXD[7:0]的含义与RX_DV有关，当RX_DV为有效时(高电平)，RXD[7:0]上传输的是物理层接收的数据。当RX_DV为无效时(低电平)，RXD[7:0]上传输的是物理层的状态信息数据。见下表：

当速率为10Mbps时，每一组数据要重复10次，MAC/PHY芯片每10个周期采样一次。MAC/PHY芯片在接收到素材后会进行串/并转换。

PHY的电源模式

为了进一步降低环境功耗，一些PHY都支持多种电源模式，主导包括正常模式、待机模式和睡眠模式。

以太网要正常建立连接，PHY必须处于正常模式，在PHY上电后，一般不会马上就工作在正常模式，而是待机模式。在待机模式下，PHY的ECU主电源被激活，功耗相对睡眠模式略高，睡眠模式是PHY工作功耗最低的模式，要是网络中暂时不得节点的特性，可使节点工作在睡眠模式，在睡眠模式下，此时节点可断电整个ECU，除了唤醒检测外，关闭所有内部能力。

SMI

SMI：串行管理接口（Serial Management Interface），也被称作MII管理接口（MII Management Interface），包括MDC和MDIO两条信号线。

MDIO是一个PHY的管理接口，用来读/写PHY的寄存器，控制PHY的行为或获取PHY的状态；MDC为MDIO献出时钟，它是一个非周期信号，信号的最小周期（实际是正电平时间和负电平时间之和）为400ns(2.5MHz max)，最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大的正负电平时间无限制。它与TX_CLK和RX_CLK无任何关系，典型周期是2.5M。

为MII总线接口定义的，MII用于连接MAC和PHY，囊括两种信号接口：就是MDIO原本

1. 一个数据接口用于MAC和PHY之间接收和发送以太网帧数据。

2. 一个PHY管理接口，即SMI，用于读写每个PHY的控制寄存器和状态寄存器，以达到控制PHY行为和监控PHY状态的目的。

MDIO是双向的，支持一个MAC连接最多32个PHY的连接方式，且MAC作为master，PHY作为slave。在写PHY寄存器的时候，由MAC驱动MDIO向PHY写入数据；在读PHY寄存器时，前半段由MAC驱动发送寄存器地址，后半段由PHY驱动回复寄存器的值。

MDC由MAC输出，对于PHY芯片则作为输入，以在上升沿触发MDIO的读写。MDC的时钟频率允许是DC-2.5MHz，即最小的时钟周期为400ns。

MDIO数据格式定义在IEEE802.3以太网标准中，如下图所示（数据传输顺序为从左至右）：

上图中*表示高阻态。

为了保证PHY能准确采样，MAC写数据时，要求在MDC的上升沿之前把数据写到MDIO上，等待10ns以上再发出一个MDC的上升沿。而为了保证MAC能准确采样，当PHY向MDIO写资料时，该clock-to-data的delay时间范围可以是0-300ns（小于上面提到的400ns）。这个规定使接口的完成变得简单，但一定程度上限制了总线带宽。

MDI

PHY与PHY之间的通信接口称为MDI（Medium Dependent Interface，媒介专用接口）。

MDI和MDIX 是两种接口，MDI和MDI，MDI-X和MDI-X用交叉线连接。MDI和MDI-X用直连线连接。相同端口用交叉线连接，不同端口用直连线连接。

现在的交换机等网络设备都有智能MDI／MDIX识别技术，也叫端口自动翻转（AutoMDI/MDIX），行自动识别连接的网线类型。用户不管采用直连线或者交叉网线，均允许正确连接设备。