在進行以太網口功能調試過程中，最常見的問題是兩個端口之前無法正確建立物理層鏈接。所以本文檔的內容基於TI以太網PHY產品DP83822，介紹以太網網口自協商（Auto-Negotiation）功能現象，正確的測試波形與Strap電阻設置。

 

1.  介紹

 

OSI模型定義了7層網絡模型，以太網MAC層對應OSI模型中的第二層-數據鏈路層
，以太網PHY對應OSI模型中的第一層-物理層。對於以太網而言，物理層的主要功能是將在網線或者光纖中傳輸的原始數據（電壓，電流等）轉zhuan化hua為wei可ke被bei接jie收shou且qie符fu合he協xie議yi的de數shu字zi信xin號hao，其qi為wei數shu據ju鏈lian路lu層ceng提ti供gong物wu理li連lian接jie。物wu理li層ceng主zhu要yao規gui定ding了le信xin號hao電dian壓ya，頻pin率lv，引yin腳jiao功gong能neng
，阻zu抗kang等deng。作zuo為wei網wang絡luo通tong訊xun的de基ji礎chu
，隻zhi有you在zai物wu理li層ceng成cheng功gong建jian立li鏈lian接jie後hou，通tong信xin數shu據ju才cai能neng在zai端duan口kou之zhi間jian進jin行xing傳chuan輸shu。以yi太tai網wangPHY承擔了物理層鏈接的所有工作
，隻有PHY工作在正確配置下
，通信鏈路才能正常工作。下麵會以10M/100M以太網PHY為例
，說明物理層鏈接建立方式 – 自動協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自動協商（Auto-Negotiation）功能

 

根據IEEE802.3，自(zi)動(dong)協(xie)商(shang)模(mo)式(shi)功(gong)能(neng)是(shi)以(yi)太(tai)網(wang)端(duan)口(kou)根(gen)據(ju)另(ling)一(yi)個(ge)端(duan)口(kou)的(de)設(she)備(bei)鏈(lian)接(jie)速(su)度(du)，雙(shuang)工(gong)模(mo)式(shi)，自(zi)動(dong)把(ba)本(ben)端(duan)口(kou)的(de)速(su)度(du)和(he)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)調(tiao)節(jie)到(dao)兩(liang)個(ge)端(duan)口(kou)可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)的(de)最(zui)高(gao)水(shui)平(ping)。自(zi)協(xie)商(shang)協(xie)議(yi)的(de)主(zhu)要(yao)內(nei)容(rong)包(bao)括(kuo)：雙工模式，運行速率等。自動協商功能完全由物理層PHY芯片實現
，無需額外數據包和高層協議開銷。根據廣播通信速率10M或者100M的不同，自動協商功能提供兩種模式NLP（Figure 6）和FLP（Figure 2）。

 

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

 

10Base-TE自動協商模式（10M）

 

使用單獨10Base-TE廣播自動協商模式時， PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P，RXD_N發送NLP（Normal Link Pulse）普通鏈路脈衝

，每個脈衝間隔16ms。為了同時兼容T568A直連網線和T568B交叉網線，所以在收發端同時廣播NLP
，根據對方對口的監聽情況判斷是否使用自動交叉線切換功能（Auto-MDIX）。

 

100Base-TX自動協商模式（100M）

 

使用100Bast-TX自動協商模式時， PHY芯片會通過Figure 1中TXD_P, TXD_N和RXD_P
，RXD_N發送FLP（Fast Link Pulse）快速鏈路脈衝。由於100Base-TX自動協商模式由100Base-T向10Base-T兼容，如果對方端口隻能支持10M以太網，則兩側都會判定為10Base-T。為了同時兼容T568A直連網線和T568B交叉網線
，所以在收發端同時廣播FLP，根據對方對口的監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，在無網線連接其他以太網端口的情況下。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引腳發送的FLP波形為Figure 2。TXD_P/N會持續發送FLP信號給遠端以太網端口，同時TXD_P/N也會監聽對端是否通過網線傳輸FLP信號。每幀FLP脈衝發送時間間隔16ms。直流共模電壓3.3V，單端峰值電壓5.2V。

 

Figure 2 100base-TX自動協商 FLP信號

 

如果對單幀脈衝周期進行放大可以觀察到FLP信號包含多個脈衝信號。最大數量為33個脈衝，第一個脈衝和最後一個脈衝為時鍾脈衝
，每兩個時鍾脈衝之間為數據脈衝。當數據脈衝出現時
，該比特位為’1’，當數據脈衝為0時，該比特位為’0’。雙工模式，速率等信息就包含在16個數據脈衝之中，如Figure 3所示。

 

 

Figure 3 100base-TX自動協商 單幀FLP信號

 

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

 

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

 

關閉自動協商模式：TXD_P/N引腳波形

 

使用DP83822I評估板，在上電後使用工具[2]將0x0000(BMCR) BIT12更改為’0’，關閉自動協商模式。此時得到Figure 5
，由圖可知TXD_P不再發送FLP脈衝群，而是在持續發送MLT-3信號。發送MLT-3表示PHY認為此時已經進入強製100Base-TX, Figure 5表示以太網PHY工作在100Bast-TX的空閑狀態。

 

Figure 5 100Base-TX以太網特征信號（MTL-3電平）- 自動協商功能關閉

 

此時將0x0000(BMCR) BIT13設置為’0’
，即將以太網速度從100M變為10M。此時TXD_P/N在持續發送NLP信號，因為10Base-TE 空閑模式與NLP信號相同。此時PHY進入強製10Base-TE模式。

 

Figure 6 10Base-TE NLP - 自動協商功能關閉

 

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

 

自動協商模式Strap電阻配置

 

DP83822I在上電完成之後，需要默認使能自動協商模式，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 自動協商模式可配置的

 

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

 

Figure 8 自動協商模式相關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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