以太网物理接口类型介绍与信号定义

以太网物理接口介绍

一、以太网接口类型

以太网接口常用有双绞线接口（俗称电口）和光纤接口（俗称光口）2种。另外

还有早期的同轴电缆接口。

下面是常用以太网接口的代号：

10BASE2: 采用细同轴电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 10.)

10BASE5: 采用粗同轴电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 8.)

10BASE-F:采用光纤电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 15.)

10BASE-T:采用电话双绞线的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 14.)

100BASE-FX: 采用两个光纤的IEEE 802.3 100Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clauses 24 and 26.)

100BASE-T2: 采用两对3类线或更好的平衡线缆的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 32.)

100BASE-T4: 采用四对3、4、5类线非屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 23.)

100BASE-TX: 采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clauses 24 and 25.) 1000BASE-CX: 1000BASE-X 在特制的屏蔽电缆传输的接口规格(参见 IEEE 802.3 Clause 39.)

1000BASE-LX: 1000BASE-X 采用单模或多模长波激光器的规格(参见 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-SX: 1000BASE-X 采用多模短波激光器的规格(参见 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-T: 采用四对五类平衡电缆的1000 Mb/s 物理层规格 (参见 IEEE 802.3 Clause 40.)

1.电口

电口传输距离标准为100m，电口采用RJ－45接口。这是一种习惯的叫法，实际

上RJ45只是一种接线方式，此处沿用习惯的叫法。RJ-45 插座可以分为屏蔽式

和非屏蔽式、直插式和侧插式、带LED灯和不带LED灯，有单端口、两端口、单

排四端口、单排6端口、单排8端口、双排8端口、双排12端口、双排16端口

等，有8PIN、6PIN和4PIN。图3所示是常用的屏蔽式、侧插、带LED指示灯、

单排四端口的RJ-45插座。其中LED指示灯是绿色和黄色，按公司规范可以分别

表示LINK（链路完整）和ACT（有收发活动）等。

1.RJ－45插座

与RJ－45 插座相对应的是RJ－45 插头，如图4所示，一般为8PIN。在10/100M 以太网时，其中2根表示1对发送数据，另2根表示1对接收数据，剩下4根保留（100BASE-T4使用4对线，是为3类线设计的）；在1000M以太网时，1000BASE-T 使用的是4对双绞线，每一对线都作双向数据传输，因为目前应用很少，这里不做介绍。下面只介绍FE的网线。

?RJ－45插头

我们常用的网线有两种：不带交叉网线和带交叉网线。平时所说的网线名称与802.3标准中所说的网线名称容易混淆。

标准中的直连网线（Straight Through Cable）不带交叉，针脚定义如下表所示。主要用于交换机或集线器与工作站或PC机的网卡之间连接的以太网双绞线电缆。不能直接连接两台PC机的网卡。

1.直连网线针脚定义

插头1针脚插头2针脚信号芯线颜色备注

1 1 发送white-orange 双绞线

2 2 orange

3 3 接收white-green 双绞线

6 6 green

4 4 双向blue 双绞线

5 5 white-blue

7 7 双向white-brown 双绞线

8 8 brown

标准中交叉网线（Cross Over Cable）的连线为交叉方式，如下表所示，主要用于交换机与中继器、集线器和集线器、工作站的网络接口卡和工作站的网络接口卡之间连接的以太网双绞线电缆。

?直连网线针脚定义

插头1针脚插头2针脚信号芯线颜色备注

1 3 发送white-orange 双绞线

2 6 orange

3 1 接收white-green 双绞线

6 2 green

4 4 双向blue 双绞线

5 5 white-blue

7 7 双向white-brown 双绞线

8 8 brown

对于常说的RJ－45的MDI和MDIX接口，对应为DTE侧接口和DCE侧接口，MDI 接口的PIN定义如下图所示。

?MDI接口PIN定义

而MDI－X接口的PIN定义如下图所示，其收发方向刚好与MDI接口相反。

?MDI－X接口PIN定义

现在有些物理层芯片支持MDI和MDIX自动识别功能，它可以根据与其相连的对端设备是DTE还是DCE及使用的是MDIX还是MDI模式，也可以设成MDI或MDIX 的固定模式。

1.光口

目前以太网光模块封装有GBIC、SFF、SFP，公司目前推荐使用的是GBIC和SFP 两种可热插拔的光模块，有850nm、1310nm、1550nm波长，还可以分为多模和单模，而传输距离也不一样，多模传输距离为275～550m，单模则可以达到2Km、10Km、15Km、40Km、70Km，甚至100Km或以上。

下图为GBIC（Gigabit Interface Converter）封装的光模块，其收发分开，采用SC光纤接头，多模的波长为850nm，单模有1310nm和1550nm，支持热插拔。

?GBIC封装光模块

下图为SFP（Small Form－factor Pluggable）封装的光模块，其收发分开，采用LC光纤，支持热插拔。SFF封装与SFP一样，唯一区别只是SFF为固定式。

?SFP封装光模块

1.FE自协商

自协商功能允许一个网络设备能够将自己所支持的工作模式信息传达给网络上的对端，并接受对方可能传递过来的相应信息。它使用修订过的10BASE-T的整合性测试脉冲序列（link integrity test pulse sequence）来传递信息，自协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销。

自协商功能的基本机制就是将协商信息封装进一连串修改后的“10BASE-T连接测试收发波形”的连接整合性测试脉冲。这串脉冲被称为快速连接脉冲（FLP）。

每个网络设备必须能够在上电、管理命令发出、或是用户干预时发出此串脉冲。快速连接脉冲包含一系列连接整合性测试脉冲组成的时钟/数字序列。将这些数据从中提取出来就可以得到对端设备支持的工作模式，以及一些用于协商握手机制的其他信息。

为了保持与现有10BASE-T设备的互操作性，自协商协议还具有接受与10BASE-T 兼容的连接整合性测试脉冲（也被称为普通连接脉冲（NLP）序列）的功能。

当一个设备不能对快速连接脉冲做出有效的反应，而仅返回了一个普通连接脉冲时，它将被作为一个10BASE-T兼容设备对待。

FE自协商的规则，可以用下表表示：（FD表示全双工，HD表示半双工）。

对于只有一方支持自协商的情况，根据IEEE 802.3的标准，采用并行检

测机制。

对端设备接口类型自协商设备的自协商结果

自协商100M，全双工；

10M FD 10M HD

10M HD 10M HD

100M FD 100M HD

100M HD 100M HD

1.自协商技术的功能规范

脉冲序列中的第一个脉冲为时钟脉冲，并在其后每隔125us出现一个时钟脉冲，数据脉冲出现的位置在相邻两个时钟脉冲的中点上（偏差+/-7us）。且以正脉冲表示逻辑1，无脉冲表示逻辑0。一个FLP脉冲序列包含17个时钟脉冲，16个数据脉冲（如果数据比特位都是1的话），16个数据比特位的编码见后面。NLP 脉冲波形要比FLP简单，它只是在没有数据帧发送时每隔16+/-8ms发送一次正脉冲。FLP和NLP的波形如下图所示。

?单一快速连接脉冲（FLP）的波形

?连续的快速连接脉冲（FLP）和普通连接脉冲（NLP）的波形

1.自协商技术中的信息编码

快速连接脉冲（FLP）的信息编码可以分为两类，一类是基本连接码字（基本页），支持基本的信息的交换。另一类是下一页码字，以支持附加信息页的交换。

基本页的信息编码可由下图表示。

?基本页的信息编码图

（1）选择域（Selector Field）：

S[0:4]用于标识自协商消息的类型。已定义的类型如下表所示，所有未列出的组合的意义均保留，保留的编码组合目前不应在传输中出现。

?自协商的类型含义

S4 S3 S2 S1 S0 Selector description

0 0 0 0 0 Reserved for future Auto-Negotiation

development

0 0 0 0 1 IEEE Std 802.3

0 0 0 1 0 IEEE Std 802.9 ISLAN-16T

1 1 1 1 1 Reseerved for future Auto-Negotiation

development

（2）技术能力域（Technology Ability Field）：

A[0:7]用于描述本端网络接口所支持的各种工作模式。不同的选择域类型对应不同的技术能力域定义。下面表格给出IEEE 802.3标准下定义的各种技术能力及其编码。

?自协商的技术支持域的含义

Bit Technology Minimum cabling

requirement A0 10BASE-T Two-pair Category 3

A1 10BASE-T FULL DUPLEX Two-pair Category 3

A2 100BASE-TX Two-pair Category 5

A3 100BASE-TX FULL DUPLEX Two-pair Category 5

A4 100BASE-T4 Four-pair Category 3

A[5:7] Reserved for furure technology

当协商双方都支持一种以上的工作方式时，需要有一个优先级方案来确定一个最终工作方式。下表按优先级从高到底的顺序列出了IEEE 802.3所支持的五种模式。

1.100BASE-TX full duplex

2.100BASE-T4

3.100BASE-TX

4.10BASE-T full duplex

5.10BASE-T

（3）远程错误（Remote Fault）：

远程错误位（RF）提供了传递简单错误信息的机制。当发信方的自协商广告寄存器中的RF位被置位时，基本连接码字的RF位相应变为逻辑1；当接收方收到的基本连接码字的RF位为逻辑1时，其MII状态寄存器的RF位也将被置位（如果收方具有MII管理功能的话）。

（4）应答（Acknowledge）：

应答位（Ack）在自协商信令中用于表明线路上的一方已经收到了另一方发出的基本连接码字。

（5）下一页（Next Page ）：

下一页（NF）在自协商信令中表示要进行下一页的信息的传送。如果一个设备不支持下一页功能，它应将此位置0，如果设备支持下一页功能，但不想进行下一页操作，它也应该将此位置0，只有设备支持此功能并要进行下一页操作时才将此位置1。

自协商功能除了可以发送基本页信息来进行信息的交换，还可以通过发送下一页信息的功能来进行额外的信息的交换。下一页信息的编码又分为两种，一种是消息页编码，另外一种是非格式化页编码，消息页是用来定义一套消息的，非格式化页在某一消息页后发送，用来表示这一消息的数据信息，一个消息页后面可以跟随不止一个非格式化页。这两种页编码格式如下：

?下一页的信息编码格式

各个域的含义如下：

（1）消息域（Message Code Field）

消息域为11个比特（M0-M10），由通信双方定义，可以定义2048个消息。

（2）非格式化域（Uformatted Code Field）

非格式化域为11个比特（U0-U10），携带某个消息的数据信息。

（3）比特交替域（Toggle）

比特交替域位于比特11位，它的值为上一页的该比特值的非值。第1个下一页的该值为基本页的比特11位的值。

（4）应答域2（Acknolowledge2）

应答域2用来表示对方可否执行本方发送过来的消息。为0表示不能执行，为1表示可以执行。

（5）消息页域（Message Page）

消息页域用来表示此下一页编码是消息页编码还是非格式化消息页编码。为1表示是消息页编码，为0表示是非格式化消息页编码。

（6）应答域（Acknolowledge）

与基本页中的应答域的含义类似，表示对方收到了本方发送过来的下一页编码数据。

（7）下一页（Next Page）

此域为1表示还有后续页要发送，此域为0表示此页为最后一个下一页。

1.自协商功能的寄存器控制

前面已经介绍过，与自协商功能有关的寄存器为寄存器4-7。它们分别是自协商公告寄存器（地址0x4）、自协商能力寄存器（地址0x5）、自协商扩展寄存器（地址0x6）、自协商下一页传送寄存器（地址0x7）。下面一一介绍它们。

（1）自协商公告寄存器（地址0x4）

自协商公告寄存器的域定义如下图所示：

?自协商公告寄存器的域定义图

由上图可以看出，寄存器的域定义与基本页编码的域定义是一一对应的，除了比特14是保留域（置为0）外。因为在基本页编码的比特14是应答域（Ack），此域是由硬件自动处理的，所以寄存器对应的此位被保留了。其它的域对应这里就不在重复介绍了。在芯片启动自协商时，此域中的值（除比特14外）会被编入基本页编码中在FLP脉冲中发送出去并等待对方应答。

（2）自协商能力寄存器（地址0x5）

自协商能力寄存器的域定义如下图所示：

?自协商能力寄存器的域定义图

此寄存器的数据格式有两种形式，是分别用来存放从对方收到的FLP脉冲中提取的自协商基本页数据和下一页信息编码的。所以寄存器的域定义与基本页信息编码的域定义或下一页信息编码是一一对应的，所以就不再介绍域定义了，另外在新的802.3协议中此寄存器的功能作了改动，改为只接收基本页的数据，而下一

页的数据信息存放在寄存器地址0x08的位置。在查阅物理层芯片的寄存器的功能时要主要这一点。

（3）自协商扩展寄存器（地址0x6）

?自协商扩展寄存器比特域定义

各比特位含义如下：

比特0：（Link Partner Auto-Negotiation Able）为1表示对方芯片有自协商能力，为0表示对方芯片无自协商能力。

比特1：（Page Received）为1表示收到新的一页信息，为0表示没有收到新的一页信息。此比特位在读取后会自动清零。

比特2：（Next Page Able）为1表示芯片允许下一页功能，为0表示芯片不允许下一页功能。

比特3：（Link Partner Next Page Able）为1表示对方芯片表示芯片允许下一页功能，为0表示对方芯片不允许下一页功能。

比特4：（Parallel Detection Fault）为1表示在比自协商过程中出现错误，为0表示在自协商过程中没有出现错误。

比特5-15：（Reserved）保留。

（4）自协商下一页传送寄存器（地址0x7）

其比特域定义如下：

自协商下一页传送寄存器比特域定义

可以看出，除了比特14外，寄存器的比特域的定义与下一页的信息编码是一一对应的。比特14是应答域由硬件自己控制，所以寄存器中将此域保留为0，其它域的含义请见前面介绍。

1.GE自协商

1000BASE-X的自动协商同100BASE-T的自动协商操作基本相同，指示对其中的

内容进行修改。

?1000BASE-X与100BASE-T的自动协商的差别

100BASE-T自动协商1000BASE-X自动协商

指定用于使用RJ-45连接器的UTP电缆可工作于使用各种连接器的光纤及铜线

上

使用快速链路脉冲突发序列交换信息使用普通8B/10B代码字交换信息

MII中定义控制状态/控制寄存器GMII中在寄存器中增加相应位

MII定义的寄存器为0~10 GMII中加入寄存器15

基本页中定义一位用于对称流控功能基本页中定义两位用于对称与非对称流

控

基本页中定义一位用于远端故障指示基本页中定义两位用于远端故障指示在1000BASE-X的自动协商中PAUSE功能的协商有相应的优先级表。

?PAUSE优先级表

Local Device Link Partner Local Resolution Link Partner Resolution PAUSE ASM-DIR PAUSE ASM-DIR

0 0 x x Disable PAUSE Transmit and

Receive

Disable PAUSE Transmit and Receive

0 1 0 x Disable PAUSE Transmit and

Receive

Disable PAUSE Transmit and Receive

0 1 1 0 Disable PAUSE Transmit and

Receive

Disable PAUSE Transmit and Receive

0 1 1 1 Enable PAUSE transmit

Disable PAUSE receive

Enable PAUSE receive

Disable PAUSE

transmit

1 0 0 x Disable PAUSE Transmit and

Receive

Disable PAUSE Transmit and Receive

1 0 1 x Enable PAUSE Transmit and

Receive Enable PAUSE Transmit and Receive

1 1 0 0 Disable PAUSE Transmit and Disable PAUSE

Receive

Transmit and Receive

1

1

1

Enable PAUSE receive Disable PAUSE transmit Enable PAUSE transmit Disable PAUSE receive

1 1 1 x

Enable PAUSE Transmit and Receive Enable PAUSE Transmit

and Receive

1. 物理层芯片和MAC 层芯片接口简介

PHY 和MAC 之间的接口常用的有MII 、RMII 、SMII 、SS －SMII 、GMII 和TBI ，下

面将对这些接口逐个简介。 1. MII

?

MII 接口信号定义图

MII （Medium Independent Interface ）媒质无关接口是一个18针的信号接口，数据穿越MII 的速率是每个时钟周期为一个半位元组（4bit ），这样发送接收时钟为100Mb/s 数据率的1/4，而MII 接口支持10/100M 自适应，因此时钟为2.5MHz （10Mb/s ）或25MHz （100Mb/s ）。MII 接口由发送和接收半位元组、时钟、数据有效、错误报告、冲突检测、载波侦听和管理接口共18根信号组成。MII 接口的最大传输距离为12Inch 。

MII 发送信号有：发送时钟TCLK 、发送数据TXD[0:3]、发送使能TX_EN 、发送错误TX_ERR 、载波侦听CRS 、冲突COL 共9根信号。

MII 接收信号有：接收时钟RCLK 、接收数据RXD[0:3]、接收数据有效RX_DV 、接收错误RX_ER 共7根信号。

管理接口信号有：管理数据时钟MDC和管理数据输入输出MDIO。管理接口信号是标准的IIC总线，总线上可以挂最多8个器件，通过地址来区分，最大数率可以达到3.4Mb/s。其数据格式为：

?MDIO数据格式

前导码歧视帧定界符操作码PHY地址寄存器地址转换位数据

32bits：all

ones 2bits：01 2bits：

10 5bits 5bits 1bit 16bits

1.MDIO管理寄存器

REG0 控制寄存器R/W（可读/可写）REG1 状态RO（只读）

REG2、3 PHY Identifier RO

REG4 Auto-Negotiation Advertisement R/W

REG5 Auto-Negotiation Link Partner Base Page Ability RO

REG6 Auto-Negotiation Expansion RO

REG7 Auto-Negotiation Next Page Transmit R/W

REG8 Auto-Negotiation Link Partner Receied Next Page RO

REG9 MASTER-SLAVE Control Register R/W

REG10 MASTER-SLAVE Status Register RO

REG11~14 Reserved保留

REG15 Extended Status RO

REG16~31 Vendor Speci .c厂家专用

1.RMII

由于最初定义的MII接口的信号线比较多，为了减少芯片的尺寸出现简化的MII 接口（RMII： Reduced Media Independent Interface接口），将接口的总线减少到8根（一根时钟REFCLK，发送数据TXD[0:1]，接收数据RXD[0:1]，发送使能TXEN，接收错误指示RXER和载体侦听CRS）。其数据线只有2根，参考时钟为50MHz。管理数据接口与MII一样。

?RMII接口信号定义图

1.SMII

为了进一步减少信号线，出现了SMII（ Serial Media Independent Interface）串行媒质无关接口，其将接口总线进一步减少为4根，其中一根时钟REFCLK，一根发送数据TXD，一根接收数据RXD和一根同步信号SYNC。其接口时钟位125MHz，接口最大传输距离为6Inch，管理数据接口与MII一样。

?SMII接口

1.SS－SMII

为了解决SMII传输距离短的缺陷，出现了SS－SMII（Source

Synchronous-Serial Media Independent Interface ）源同步串行媒质无关接口，它的接口参考时钟也是125MHz，发送数据也是只有一根TXD，接收数据也是只有一根RXD，但是时钟信号收发分开TXCLK、RXCLK，同步信号也分开TXSYNC、RXSYNC。它的管理数据接口与MII一样。

?SS－SMII发送信号

?SS－SMII接收信号

1.GMII

GMII（Gigabit Media Independent Interface）千兆为媒质无关接口在MII接口基础上做了一定的修改/补充。与MII接口不同，GMII接口已经没有实际的意义，它基本上只是一个板级接口，用于芯片与芯片，子板与母板的连接。GMII 接口的发送接收参考时钟TXCLK、RXCLK都是125MHz，收发数据位宽度TXD[0:7]、RXD[0:7]为8bits，还有收发使能信号TXEN、RXEN和收发错误指示TXER、RXER

以及PHY芯片环回控制LOOPEN。

?GMII接口

1.TBI

TBI（Ten Bit Interface）十位接口，它的收发数据位宽度为10bits，发送参考时钟为125MHz，接收参考时钟为两个相位差为180°的62。5MHz ，和GMII 一样也有PHY环回控制信号LOOPEN，还有一个信号监测LOSS。

?TBI接口