Ethernet на плате — что делает PHY и когда нужен отдельный MAC
Проводной Ethernet собирается из контроллера доступа к среде и физического уровня. Разбираем три схемы подключения, интерфейсы между блоками, требования к питанию и разводке и типовые ошибки отладки.
Проводной Ethernet на плате собирается из двух функциональных блоков. Контроллер доступа к среде формирует кадры, считает контрольную сумму и работает с буферами; физический уровень преобразует эти данные в сигнал в линии, согласует его с трансформатором и договаривается со встречным устройством о скорости и режиме. В зависимости от выбранной микросхемы оба блока могут оказаться внутри процессора, разделены между процессором и отдельной микросхемой либо целиком вынесены наружу.
Ниже — три типовые схемы подключения, чем различаются интерфейсы между блоками, что ставится в линии и какие данные нужны для подбора. Позиции лежат в разделе интерфейсные микросхемы.
Кто что делает
- Контроллер доступа к среде. Сборка и разбор кадров, адресация, контрольная сумма, управление потоком, обмен с памятью через прямой доступ. Живёт в цифровой части и тактируется от системной частоты.
- Физический уровень. Кодирование и декодирование сигнала, выравнивание, эхокомпенсация, автосогласование скорости и дуплекса, определение полярности пар. Работает с аналоговой частью линии.
- Трансформатор. Гальванически развязывает плату и кабель, согласует уровни. Ставится между микросхемой физического уровня и разъёмом — позиции в разделе трансформаторы.
- Разъём. Отдельный или совмещённый с трансформатором и светодиодами индикации.
Три схемы подключения
| Схема | Что внутри процессора | Что снаружи | Когда применяется |
|---|---|---|---|
| Контроллер внутри, физический уровень снаружи | Контроллер доступа к среде | Микросхема физического уровня, трансформатор, разъём | Самая распространённая схема на микроконтроллерах с сетевым блоком |
| Оба блока снаружи | Ничего | Микросхема с контроллером и физическим уровнем, подключённая по последовательной или параллельной шине | Процессор без сетевого блока, добавление сети к готовому проекту |
| Оба блока внутри | Контроллер и физический уровень | Трансформатор и разъём | Компактные изделия, где важна площадь платы |
Первая схема даёт наибольшую свободу: физический уровень подбирается отдельно под требования по температуре, потреблению и корпусу, а при снятии микросхемы с производства заменяется без переделки цифровой части. Вторая проще для процессоров без сетевого блока, но нагружает шину и ограничивает пропускную способность. Третья экономит место, но привязывает проект к конкретному семейству.
Интерфейс между блоками
Контроллер и физический уровень соединяются стандартизованным интерфейсом. Выбор варианта определяет число линий на плате и требования к разводке:
- Параллельный четырёхразрядный интерфейс. Классический вариант для сотни мегабит, требует отдельного тактового сигнала от физического уровня.
- Сокращённый параллельный интерфейс. Тот же обмен с общим тактированием — меньше линий, но жёстче требования к задержкам.
- Последовательный интерфейс. Минимум линий, применяется там, где выводов корпуса мало; требует точного согласования длин.
- Гигабитные варианты. Расширенная разрядность или последовательная передача с высокой скоростью; разводка ведётся с контролем длин и волнового сопротивления.
- Канал управления. Отдельная двухпроводная шина, по которой контроллер читает и настраивает регистры физического уровня. Без неё автосогласование и диагностика недоступны.
Адрес физического уровня на канале управления задаётся выводами конфигурации. При установке двух микросхем на одну шину адреса должны различаться — это типовая ошибка на платах с двумя сетевыми портами.
Что учитывать при разводке и питании
- Тактирование. Требования к точности опорной частоты указаны в документации; отклонение за допуск приводит к росту числа ошибок. Резонатор подбирается по нагрузочной ёмкости — раздел кварцевые резонаторы, готовые источники — генераторы.
- Питание аналоговой части. Отдельная фильтрация, короткие цепи развязки, минимальные петли по возврату тока — позиции в разделах управление питанием и керамические конденсаторы.
- Согласование линии. Резисторы согласования ставятся по схеме из документации на конкретную микросхему — раздел постоянные резисторы.
- Защита от наводок. Для кабеля, выходящего за пределы корпуса, предусматриваются элементы защиты от импульсов — раздел варисторы и терморезисторы.
- Разделение земель. Область под трансформатором и разъёмом отделяется от основной земли по схеме производителя.
- Индикация. Светодиоды состояния линии подключаются к выводам физического уровня, а не к процессору, — это упрощает диагностику без прошивки.
Что выясняется на этапе отладки
- Не совпал режим интерфейса. Контроллер настроен на один вариант, физический уровень выводами конфигурации — на другой. Связь не поднимается при исправной линии.
- Конфликт адресов на канале управления. Две микросхемы отвечают на один адрес, настройка уходит не туда.
- Неверная нагрузочная ёмкость резонатора. Частота уходит, растёт число ошибочных кадров при внешне рабочем соединении.
- Трансформатор не того типа. Подошёл по корпусу, но не по коэффициенту и схеме — дальность и устойчивость связи падают.
- Нет питания в дежурном режиме. Функция пробуждения по сети не работает, потому что физический уровень обесточен.
Частые вопросы
Можно ли обойтись без трансформатора? В пределах одной платы или в защищённом корпусе применяются схемы с прямым соединением, но для кабеля, выходящего наружу, развязка обязательна — она защищает и плату, и встречное устройство.
Нужен ли отдельный контроллер, если сеть уже есть в микроконтроллере? Как правило, нет. Отдельная микросхема ставится, когда нужен второй порт, встроенный блок не поддерживает требуемую скорость или сеть добавляется к уже выпускаемому изделию без смены процессора.
Чем отличается физический уровень для промышленного применения? Расширенным температурным диапазоном, устойчивостью к помехам и наличию длинных линий, иногда — поддержкой резервирования и диагностики кабеля.
Что делать, если микросхему сняли с производства? Подбирается преемник с тем же интерфейсом и совместимым набором регистров. Сверяются цоколёвка, питание, схема тактирования и поведение выводов конфигурации при включении.
Что прислать для подбора? Обозначение процессора и наличие в нём сетевого блока, требуемую скорость, число портов, температурный диапазон, ограничения по корпусу и площади платы, требования к диагностике и тираж.
Как подбираем
Определяем схему по вашему процессору и требованиям, подбираем микросхему физического уровня, трансформатор, резонатор и обвязку, проверяем совместимость по интерфейсу и питанию, называем наличие и сроки. Смежные позиции — микроконтроллеры, логические микросхемы, разъёмы для печатных плат. Другие материалы — в разделе блога о микроэлектронике.
Пришлите обозначение процессора и требования к сетевой части на micro@tkasiatorg.ru — подберём комплект микросхем и обвязки, проверим наличие и назовём срок.
