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  • 以太网物理层(PHY)

    2021-04-06 20:34:21
    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。 MII:medium independent interface,介质无关接口。提供公共接口,屏蔽这些物理层的不同细节 ...

    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。

    • MII:medium independent interface,介质无关接口。提供公共接口,屏蔽这些物理层的不同细节

    • PCS:physical coding sublayer,物理编码子层,8B10B编码或8B1Q4编码等。

    • PMA: Physical Medium Attachment sublayer,物理介质连接子层,负责数据串化/解串化以及数据-码元映射(4D-PAM5等)。

    • PMD:Physical Medium Dependent sublayer,物理介质相关子层,信号转换到特定物理介质上或反向转换。

    • MDI:Medium Dependent Interface,媒介相关接口,PMD层和物理媒质的接口,是串行比特的物理接口,接到RJ45

     

     

     

     

    1. PCS

    • Responsible for encoding/decoding data

    • Input to Carrier Sense and Collision Detect block, if used by the protocol

    • Serializing/deserializing code groups at PMA interface

    • Important for loopback testing

     

     

    2. PMA

    • Maps transmit and receive code-bits between the PCS and PMD, if present 

        – Otherwise, directly maps code-bits to signal values used for the particular network implementation

        bit to data symbol mapping, and data symbol to bit mapping

    • Recovers clock from received signal

    • Generates indications and carrier errors from the PMD (if present) and sensing receive channel failures (Used for debugging)

     

     

    3. PMD

    • Maps TX and RX symbol streams to signal values appropriate to medium used

    • The PMD may not always be part of the PHY 

        – Use of the PMD is defined by the specific version of the standard implemented by the PHY

    • Provides inputs to line drivers, and accepts input from line receivers

     

    The1000BASE-T1 PMD defines the transmit and receive electrical characteristics. The PMD also specifies the minimum link segment characteristics, EMC requirements, and test modes.

     

     

     

    4. realtek PHY

     

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  • OPEN联盟(OPEN Alliance)是一个由OEM、tier1和tier2共同组建的非盈利开放性的行业联盟,旨在将以太网技术在汽车环境中应用及推广。 为了保证各个供应商之间的控制器能够互联互通,OPEN 联盟TC8工作组致力于100BASE...

    背景

    OPEN联盟(OPEN Alliance)是一个由OEM、tier1和tier2共同组建的非盈利开放性的行业联盟,旨在将以太网技术在汽车环境中应用及推广。

    为了保证各个供应商之间的控制器能够互联互通,OPEN 联盟TC8工作组致力于100BASE-T1和1000BASE-T1车载以太网ECU测试规范的开发,相应的规范《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 1》已于2020年初更新到3.0版本。同时,《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 1 1000BASE-T1》 V1.0版本也于2020年初释放。

    TESTBASE-EIOP是经纬恒润自主研发的车载以太网物理层IOP(交互性)自动化测试设备,可完整覆盖OPEN TC8 IOP测试标准。

    IOP测试环境

    下图为参照TC8需求,由TSETBASE-EIOP为核心设备组成的Layer 1 Interoperability (IOP)测试环境,主要包含:

    • EIOP Tester
    • AWG
    • 自动化测试软件
    • 线束桶(可选)
      在这里插入图片描述

    测试内容

    🔹 Link-up time

    • Link-up time - Trigger: Power on Link Partner
    • Link-up time - Trigger: Power on DUT
    • Link-up time - Trigger: Wake up DUT

    🔹 Signal Quality

    • Indicated signal quality for channel with decreasing quality
    • Indicated signal quality for channel with increasing quality

    🔹 Cable Diagnose

    • Cable diagnostics for near and far end open
    • Cable diagnostics for near and far end short

    经纬恒润IOP测试解决方案

    针对于TC8提出的IOP测试需求,经纬恒润推出完整的自动化测试系统,该系统能用于100BASE-T1和1000BASE-T1测试。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    经纬恒润IOP自动化测试系统由以下各部分组成:

    🔹 硬件

    TESTBASE-EIOP:用于连接100BASE-T1 或1000BASE-T1 DUT,能够控制Link Partner 和DUT上下电,具备噪声注入以及线缆故障模拟模块
    AWG:任意波形发生器,用于差分高斯噪声注入
    线束桶:可选,提供近远端自动切换
    🔹 软件

    自动化测试软件:自动化测试软件为经纬恒润自主研发的INTEWORK-TAE,可以实现自动化测试序列搭建及运行
    测试套件:基于INTEWORK-TAE开发的以太网一致性测试套件AETP可以实现TC8(v3.0)和3~7层自定义协议一致性测试,IOP package属于AETP中的一部分,用来控制EIOP硬件设备、执行测试序列、判断测试结果,自动生成测试报告

    产品优势

    🔹 满足新的TC8 ECU测试要求

    🔹 自动化测试,操作简单,自动生成测试报告

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  • 千兆以太网物理层 8B1Q4/4D-PAM5

    千次阅读 2021-04-06 20:32:16
    首先看一下1000BASE-T以太网网络物理层上是怎么定义的:1000BASE-T使用5类双绞线(也就是常见的网线,8根线,4个线对),全双工基带传输。1000BASE-T的传输速率是1000 Mb/s ,通过4个线对发送和接收,那么每个线对...

    1. Encoding on 1000Mbps Gigabit Ethernet

    For copper cable based Gigabit Ethernet (1000BASE-T), a pair of encoding methods was chosen, 8B1Q4 and 4D-PAM5. For fiber optic based Gigabit Ethernet (1000BASE-X), a different pair of encoding methods was chosen, 8B10B and NRZ.

     

    ~~ 8B1Q4 and 4D-PAM5 Encoding 0n 1000BASE-T~~

    Gigabit 1000BASE-T Ethernet was designed to operate in full-duplex mode at a speed of 1000Mbps. To achieve this, all four wire pairs must be used simultaneously in parallel when transmitting or receiving. Wire pairs are no longer separated into a pair for transmitting and a pair for receiving - like on Fast Ethernet. Any wire pair can be used for transmitting or receiving - sending and receiving at the same time if necessary. Since any wire pair can transmit and receive at the same time, this means that there are permanent collisions on the wire. Hybrid circuits at the ends of each wire pair can separate out transmission signals from receive signals.

     

    To achieve the 1000Mbps data rate, each wire pair must be able to transmit or receive at a data rate of 250Mbps. You can imagine the wire pairs acting as separate lanes, sharing the data between them. Effectively, any data to be transmitted is shared into quarters and each lane transmits it's quarter at 250Mbps. However, CAT 5 and 5E UTP cable are limited in the frequency range that can be used. To achieve the 250Mbps data rate, a pair of encoding methods are used.

     

    Just as data is doubly encoded on Fast Ethernet , a pair of encoding methods is also used on Gigabit Ethernet over copper; the signal is first encoded using 8B1Q4 and then the 4D-PAM5 encoding method is applied after.

     

    The 8B1Q4 encoding method converts each group of 8 data bits to four quinary symbols. Each quinary symbol is then line encoded using 4D-PAM5, which is a system that used five voltage levels, (similar to MLT-3 which uses three levels.)

    Since 2 bits are represented for each quinary symbol and the clock rate is set at 125MHz, this gives 250Mbps data per twisted pair and therefore 1000Mbps for the whole cable.

     

     

    2. 4D-PAM5这种编码方式用于1000BASE-T以太网网络。

    首先看一下1000BASE-T以太网网络物理层上是怎么定义的:1000BASE-T使用5类双绞线(也就是常见的网线,8根线,4个线对),全双工基带传输。1000BASE-T的传输速率是1000 Mb/s ,通过4个线对发送和接收,那么每个线对的的传输速率就是250 Mb/s 。每个线对上基带信号的调制速率是125 Mb/s ,也就是说一个码元要携带2个比特(0,1,2,3 四种信息)信息,这看起来跟前面讲过的四电平波形2B1Q很像很像!

     

    接着再来看下1000BASE-T的OSI结构是怎么样的?MAC和PHY之间是GMII接口(当然用的最多的是SGMII接口,这种情况下PHY就要配置成serdes接口了),GMII是8位数据并行传输,那么8B1Q4就是再一个时钟的节拍下,将GMII的8 bit ( 8B )数据通过4个符号码元(Q4)发送出去,每个符号周期并行传输四个符号。(一个码元代表2bit信息,4个码元代表8bit信息)

     

    最后再看下4D-PAM5的究竟是什么意思?4D自然就是前面讲过的4个码元,定义为(An, Bn, Cn, Dn),也就是4维符号,比如说符号An是二比特00,符号Bn是01,符号Cn是10,符号Dn是11 。PAM5的意思就是4维符号的电波形是一维5进制电平 {2, 1, 0, –1, –2} ,也就是说一根网线的其中一个线对的电平就有5种!至于多出来的一个电平是怎么回事? 答案就是这个电平用于前向纠错码FEC 。

     

    编码顺序:

    2bit信息 --8B1Q4--> 1组码元 --4D-PAM5--> 5进制电平信号{2, 1, 0, –1, –2}

    1个时钟单位:8bit信息  ---> 4组码元 ---> 4对线上的电平信号

     

    1000BASE-T以太网网络的容量是1000 Mb/s ,通过4D-PAM5的编码方式之后,每个线对的速率是125Mb/s 。

     

     

    Operating bidirectionally on twisted pairs is a challenge. The encoding used for 1000BASE-T is highly complex. It not only must achieve a balance of 0s and 1s on each cable, but it also must create a balanced electromagnetic condition across all four pairs.

    The encoding method consists of several steps:

    • Each byte is scrambled.

    • The scrambled byte is translated to a 4-tuple of special symbols via a mapping called 8B1Q4.

    • Each symbol is represented on the physical medium by a voltage. Five different voltage levels are used, corresponding to an alphabet of five different symbols. The physical transmission method is called 4-dimensional 5-level pulse amplitude modulation (4D-PAM5).

     

    在双绞线上双向操作是一个挑战。用于1000BASE-T的编码非常复杂。它不仅必须在每根电缆上实现0和1的平衡,而且还必须在所有四对上创建一个平衡的电磁条件。

    编码方法包括以下几个步骤:

    • 每个字节都被打乱了。

    • 经过一个叫做8B1Q4的映射,打乱的字节被转换成一个4元组的特殊符号。

    • 每个符号在物理介质上由一个电压表示。使用了五个不同的电压水平,对应五个不同符号的字母表。物理传输方法称为四维五能级脉冲幅度调制(4D-PAM5)。

     

     

    3. 千兆以太网标准:

     

    8B1Q4 & 4D-PAM5数据编码方式,将8比特数据变为4组含5个电压值的信号,该信号应在1单位时钟内发送。

     

     

    4. The 1000BASE-T Coding System analysis:

    The 1000BASE-T phy will interface to the upper layers via the 8-bit wide GMII. Thus, during frame transmission, the phy receives a new 8-bit word to send from the GMII every 8ns (125Mhz). 

    A natural choice is to encode the full 8-bit word to some symbol space. 

    To keep the signaling rate low, all four pairs of the Cat 5 cable will be used. Thus, only four 250Mbps channels are required.

     

    A system could be selected that has a high number of levels per symbol period, however additional levels increase the complexity of the system.

    As the data from the GMII is clocked at 125MHz, a natural choice is to use this clock rate to drive symbols onto the channel - especially as 100Base-TX devices currently operate at 125MHz while sourcing three-level (MLT-3) symbols. 

    Unfortunately, the phy is receiving 256 (2^8) data codes every 8ns. Even if the 3 level 100Base-TX system were used across all 4 pairs, only 81 (3^4) symbols would exist

     

    So, while there are benefits to leveraging the 100Base-TX design knowledge at the 125MHz speeds, clearly a three level system will not work. 

    Will 4 levels do? 4^4 = 256, so yes, there are enough symbols to map the data codes; however, there are no remaining codes for control signals (idle, start of frame, end of frame) nor are there and codes available for redundancy. 

     Will 5 levels do? 5^4 = 625. Yes! In fact, enough codes exist in the symbol space to allow for 100% redundancy (use 512 codes for data, rather than just 256) and still leave 113 symbols for control signals.

     

    These 5 symbols are labeled as -2, -1, 0, +1, +2

    If the symbols -1 and +1 are not used, and only one channel is transmitted on, then the output is very similar to 100Base-TX signaling (allowing for simpler dual 100/1000 speed implementations)

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  • 1物理层信号特点以太网对应OSI七层模型的数据链路层和物理层,对应数据链路层的部分又分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。MAC与物理层连接的接口称作介质无关接口(MII)。物理层与实际物理介质之间的...

    1

    物理层信号特点

    以太网对应

    OSI

    七层模型的数据链路层和物理层,对应数据链路层的部分又分为逻辑

    链路控制子层

    (LLC)

    和介质访问控制子层

    (MAC)

    MAC

    与物理层连接的接口称作介质无关

    接口(

    MII

    )。

    物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口

    (

    MDI

    )

    。在物理层中,

    又可以分为物理编码子层

    (

    PCS

    )

    物理介质连接子层

    (

    PMA

    )

    物理介质相关子层

    (

    PMD

    )

    根据介质传输数据率的不同,以太网电接口可分为

    10Base-T

    100Base-Tx

    1000Base-T

    三种,分别对应

    10Mbps

    100Mbps

    1000Mbps

    三种速率级别。不仅是

    速率的差异,

    同时由于采用了不同的物理层编码规则而导致对应的测试和分析方案也全然不

    同,各有各的章法。下面先就这三种类型以太网的物理层编码规则做一分析。

    1

    1 10Base-T

    编码方法

    10M

    以太网物理层信号传输使用曼彻斯特

    编码方法,即

    “0”=

    “+”

    跳变到

    -

    “1”=

    -

    跳变到

    “+”,

    因为不论是

    ”0”

    或是

    ”1”,

    都有跳变

    ,

    所以总体来说

    ,

    信号是

    DC

    平衡的

    ,

    并且

    接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟进而恢复出数据逻辑。

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以太网的物理地址格式