在進行以太網(wǎng)口功能調(diào)試過程中，最常見的問題是兩個端口之前無法正確建立物理層鏈接。所以本文檔的內(nèi)容基于TI以太網(wǎng)PHY產(chǎn)品DP83822，介紹以太網(wǎng)網(wǎng)口自協(xié)商（Auto-Negotiation）功能現(xiàn)象，正確的測試波形與Strap電阻設置。

 

1.  介紹

 

OSI模型定義了7層網(wǎng)絡模型，以太網(wǎng)MAC層對應OSI模型中的第二層-數(shù)據(jù)鏈路層，以太網(wǎng)PHY對應OSI模型中的第一層-物理層。對于以太網(wǎng)而言，物理層的主要功能是將在網(wǎng)線或者光纖中傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)（電壓，電流等）轉(zhuǎn)化為可被接收且符合協(xié)議的數(shù)字信號，其為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接。物理層主要規(guī)定了信號電壓，頻率，引腳功能，阻抗等。作為網(wǎng)絡通訊的基礎，只有在物理層成功建立鏈接后，通信數(shù)據(jù)才能在端口之間進行傳輸。以太網(wǎng)PHY承擔了物理層鏈接的所有工作，只有PHY工作在正確配置下，通信鏈路才能正常工作。下面會以10M/100M以太網(wǎng)PHY為例，說明物理層鏈接建立方式 – 自動協(xié)商及如何檢通過檢測TRX_P/N管腳波形判斷DP83822是否正確開啟該功能。

 

2. DP83822自動協(xié)商（Auto-Negotiation）功能

 

根據(jù)IEEE802.3，自動協(xié)商模式功能是以太網(wǎng)端口根據(jù)另一個端口的設備鏈接速度，雙工模式，自動把本端口的速度和工作模式調(diào)節(jié)到兩個端口可以支持的最高水平。自協(xié)商協(xié)議的主要內(nèi)容包括：雙工模式，運行速率等。自動協(xié)商功能完全由物理層PHY芯片實現(xiàn)，無需額外數(shù)據(jù)包和高層協(xié)議開銷。根據(jù)廣播通信速率10M或者100M的不同，自動協(xié)商功能提供兩種模式NLP（Figure 6）和FLP（Figure 2）。

 

DP83822I（工業(yè)版本）支持10M – 10Base- TE模式和100M – 100Bast – TX模式

 

10Base-TE自動協(xié)商模式（10M）

 

使用單獨10Base-TE廣播自動協(xié)商模式時， PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發(fā)送NLP（Normal Link Pulse）普通鏈路脈沖，每個脈沖間隔16ms。為了同時兼容T568A直連網(wǎng)線和T568B交叉網(wǎng)線，所以在收發(fā)端同時廣播NLP，根據(jù)對方對口的監(jiān)聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能（Auto-MDIX）。

 

100Base-TX自動協(xié)商模式（100M）

 

使用100Bast-TX自動協(xié)商模式時， PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發(fā)送FLP（Fast Link Pulse）快速鏈路脈沖。由于100Base-TX自動協(xié)商模式由100Base-T向10Base-T兼容，如果對方端口只能支持10M以太網(wǎng)，則兩側(cè)都會判定為10Base-T。為了同時兼容T568A直連網(wǎng)線和T568B交叉網(wǎng)線，所以在收發(fā)端同時廣播FLP，根據(jù)對方對口的監(jiān)聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能（Auto-MDIX）。

 

Figure 1 DP83822原理圖

 

開啟自動協(xié)商模式：TXD_P/N引腳波形

 

測試使用DP83822I評估模塊[1]，默認電阻與寄存器配置，在無網(wǎng)線連接其他以太網(wǎng)端口的情況下。通過觀測TXD_P引腳波形可以判斷芯片是否在進行自動協(xié)商。

 

當無其他端口與本端口連接時，自動模式下TXD_P/N引腳發(fā)送的FLP波形為Figure 2。TXD_P/N會持續(xù)發(fā)送FLP信號給遠端以太網(wǎng)端口，同時TXD_P/N也會監(jiān)聽對端是否通過網(wǎng)線傳輸FLP信號。每幀F(xiàn)LP脈沖發(fā)送時間間隔16ms。直流共模電壓3.3V，單端峰值電壓5.2V。

 

Figure 2 100base-TX自動協(xié)商 FLP信號

 

如果對單幀脈沖周期進行放大可以觀察到FLP信號包含多個脈沖信號。最大數(shù)量為33個脈沖，第一個脈沖和最后一個脈沖為時鐘脈沖，每兩個時鐘脈沖之間為數(shù)據(jù)脈沖。當數(shù)據(jù)脈沖出現(xiàn)時，該比特位為’1’，當數(shù)據(jù)脈沖為0時，該比特位為’0’。雙工模式，速率等信息就包含在16個數(shù)據(jù)脈沖之中，如Figure 3所示。

 

 

Figure 3 100base-TX自動協(xié)商 單幀F(xiàn)LP信號

 

如Figure 4所示，單個脈沖TXD_P和TXD_N幅值相同，相位相差180度差分信號。

 

Figure 4 100base-TX自動協(xié)商 TXD_P/N差分信號（紅色TXDP-TXDN） 峰值為3.3V

 

關(guān)閉自動協(xié)商模式：TXD_P/N引腳波形

 

使用DP83822I評估板，在上電后使用工具[2]將0x0000(BMCR) BIT12更改為’0’，關(guān)閉自動協(xié)商模式。此時得到Figure 5，由圖可知TXD_P不再發(fā)送FLP脈沖群，而是在持續(xù)發(fā)送MLT-3信號。發(fā)送MLT-3表示PHY認為此時已經(jīng)進入強制100Base-TX, Figure 5表示以太網(wǎng)PHY工作在100Bast-TX的空閑狀態(tài)。

 

Figure 5 100Base-TX以太網(wǎng)特征信號（MTL-3電平）- 自動協(xié)商功能關(guān)閉

 

此時將0x0000(BMCR) BIT13設置為’0’，即將以太網(wǎng)速度從100M變?yōu)?0M。此時TXD_P/N在持續(xù)發(fā)送NLP信號，因為10Base-TE 空閑模式與NLP信號相同。此時PHY進入強制10Base-TE模式。

 

Figure 6 10Base-TE NLP - 自動協(xié)商功能關(guān)閉

 

從以上測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過示波器觀察TXD_P/N引腳信號可以對以太網(wǎng)PHY（例如DP83822I）上電后的鏈接電路的模式和狀態(tài)進行分類。在現(xiàn)在通用以太網(wǎng)PHY的設計中，通常建議開啟自動協(xié)商模式支持最高速率與全雙工模式（Auto-Negotiation），當在無遠端以太網(wǎng)端口鏈接的情況下，應能在TXD_P/N引腳觀側(cè)到Figure 2和Figure 3波形。

 

自動協(xié)商模式Strap電阻配置

 

DP83822I在上電完成之后，需要默認使能自動協(xié)商模式，且保證最快速率和全雙工模式，最重要的一點是保證基礎模式選擇正確，即AN_EN=1, AN_1=1, AN_0=1。

 

 

Figure 7 自動協(xié)商模式可配置的

 

相關(guān)引腳的電阻配置如Figure 8所示，根據(jù)[3]可以得到RX_D0, RX_D3和LED_0的推薦電阻配置如下:

 

Figure 8 自動協(xié)商模式相關(guān)Strap電阻配置

 

RX_D0引腳電阻配置：

 

MODE1（上拉電阻：OPEN; 下拉電阻：OPEN）和MODE4（上拉電阻：2.49k Ohm；下拉電阻：OPEN）。

 

RX_D3引腳電阻配置：

 

MODE1（上拉電阻：OPEN; 下拉電阻：OPEN）和MODE4（上拉電阻：2.49k Ohm；下拉電阻：OPEN）。

 

LED_0引腳電阻配置：

 

MODE3（上拉電阻：6.2k Ohm; 下拉電阻：1.96k Ohm）和MODE4（上拉電阻：OPEN；下拉電阻：OPEN）。

 

3. 參考文檔

 

[1] DP83822 EVM: http://www.ti.com/lit/ug/snlu179/snlu179.pdf

 

[2] USB to MDIO Serial Management Tool: http://www.ti.com/tool/USB-2-MDIO

 

[3] 4-Level Strap Device Configuration: http://www.ti.com/lit/an/snla258/snla258.pdf

 

[4] https://www.iol.unh.edu/sites/default/files/knowledgebase/ethernet/Copper_ANEG_JEFF_LAPAK.pdf

 

 

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