車載乙太網物理層

最近開始學習車載乙太網技術，為加深印象並防止遺忘，在此總結一下。

近年來，顧客對汽車的安全性、舒適性、娛樂性要求越來越高，所以汽車上增加的功能也就越來越多，而且大部分新增功能都是通過電子技術來實現的，這就導致車載網路上交互的信息量也越來越大，所以汽車行業的工程師們就想到了把Ethernet/IP技術移植到汽車上來用，乙太網技術不但支持的帶寬比現在的車載匯流排大得多，而且在其他領域已經有了足夠豐富的應用，技術和方案成熟，規模大所以成本也可以控制。這篇文章先介紹一下車載乙太網的物理層技術。

目前的車載百兆乙太網技術原來的名字叫OABR (Open Alliance BroadR-Reach) ，Open Alliance是包括Broadcom公司在內的一些公司搞的一個聯盟， BroadR-Reach技術是Broadcom公司提出的百兆乙太網技術，現在OABR 已經由 IEEE 標準化，並命名為100BASE-T1。傳統的百兆乙太網的名字是100BASE-TX，二者在物理層上差別很大。

二者最顯著的區別就是，100BASE-T1在物理連接上使用了一對雙絞線實現全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX則使用了兩對雙絞線實現全雙工，一對用於收，另一對用於發。100BASE-T1利用所謂的迴音消除技術（echo cancellation）實現了在一對雙絞線上的全雙工通信。迴音消除技術的大概過程是這樣的，作為發送方的節點將自己要發送的差分電壓載入到雙絞線上，而作為接收者的節點則將雙絞線上的總電壓減去自己發出去的電壓，做減法得到的結果就是發送節點發送的電壓。

車載乙太網的物理層功能全部實現在一個名為PHY的模塊上，它將乙太網控制器和物理介質連接到一起。乙太網控制器和PHY之間通過一個標準化的名為MII（與介質無關的介面，見下圖）的介面連接。

對於車載百兆乙太網100BASE-T1來說，控制器在MII介面的時鐘頻率是25MHz，每個時鐘周期發出4個bit（25MHz * 4bit = 100Mbit/s）。下面介紹一下PHY接收到MII介面來的數據流之後的編碼過程。在發送端ECU，PHY接收到來自MII的數據之後，要經過三個步驟進行編碼，才能形成最終發送到雙絞線上的電信號。過程下如圖：

以vector提供的一個例子來講一下。

在微控制器的每個時鐘周期中，MII介面到來的數據是4個bit，PHY從MII介面收到數據後，會首先進行一個4B3B的轉換，為了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY的MII介面時鐘周期應該是33.3333M，每次接收3bit，也實現了33.3333M * 3bit = 100Mbit/s的速率。之後PHY要再進行3B2T的操作，將每次接收到的3個bit轉化為2個電平值（取值範圍是-1，0，1），具體的對應關係如上圖中的表所示。3個bit有8種組合（即2的三次方），兩個電平值有9種組成（即3的平方），所以後者可以覆蓋前者。此時時鐘周期仍然是33.333M，但是每個時鐘周期中的兩個電平就能夠表示3個 bit了，所以此時的數據速率仍然是100Mbit/s，每個電平實際上包含了1.5bit信息。最後一步是PAM3，將邏輯的-1，0，1轉化為在雙絞線上的電壓，所以，最終在匯流排上信號的波特率是66.666MHz，但是它實現了100Mbit/s的通信速率。

推薦閱讀：