ELF 1技术贴|开发板网口功能讲解

在当前的嵌入式系统设计趋势中，MAC功能普遍被整合至CPU内核，形成一种高度集成的网络功能模块。与此同时，PHY芯片作为独立器件，专注于应对物理层错综复杂的电气特性和信号转换需求。为了确保PHY芯片能够在所需的各种网络模式和参数设定下精确运作，业界广泛采用了MDIO（Management Data Input/Output）管理总线进行配置和调控。通过MDIO总线接口，开发工程师能够深入访问并灵活调整PHY芯片内部的寄存器设置，进而实现实时的自适应速率调整、全双工与半双工模式切换等多种关键功能。

针对ELF 1开发板的具体架构，其PHY芯片与内置MAC控制器间的数据传输互动是借助RMII（Reduced Media Independent Interface）高效接口技术来完成的。RMII标准因其精简的引脚数量和高效的传输速率，显著减少了电路板布局的复杂度，节约了系统硬件资源，并提升了以太网数据的传输速度。得益于这一接口技术，ELF 1开发板成功地实现了从物理层到数据链路层的平滑过渡和完美融合，从而有力支持了基于TCP/IP协议栈的各类应用程序在嵌入式环境中的稳定高效运行。

了解MDIO总线

MDC是开漏（OD）输出，只能输出低电平，因此需要上拉处理，为MDIO提供时钟信号；MDIO管理接口数据传输格式及含义如下表所示：

需要注意的是，TA在读操作和写操作两种状态下数据位不同，TA是介于寄存器地址和寄存器数据之间的2个bit位，用来转换数据传输方向。读操作时，地址传输和数据传输控制方不同，设置2bit TA的目的就是为了防止MDIO总线上产生竞争。TA的第1位z，PHY和MAC均释放总线控制输出高阻，且后面MAC一直保持高阻态状态，第2位0由PHY提供。第2位相当于一个应答信号，如果第2位为高电平，PHY无应答。除此之外，Idle为空闲状态，此时MDIO无源驱动，处高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平。

关于网络信号模式

常见网络信号模式包含：MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII。每种模式包含的信号线数量和控制线数量各不相同，通讯速度也不相同：MII、RMII为百兆网络，GMII、RGMII、SGMII为千兆网络，区别和关系参考表以下图表。

网络变压器

ELF 1开发板使用的RJ45内部集成了网络变压器，其4、5脚位中心抽头引脚，该引脚有两种接法：电流型，中心抽头直接接电源；电压型，中心抽头通过100nF电容接地（ELF 1开发板的接法，引脚4、5接100nF电容C87和C88）。实际使用中需要如何处理中心抽头需要根据PHY芯片的驱动类型确定。

PHY芯片电路原理说明

ELF 1开发板最多支持两路百兆网口，底板和扩展板上各一路。开发板使用两个KSZ8081RNB型号的PHY芯片实现网络通信，KSZ8081RNB是通过MDIO总线挂载到EL开发板上，MDIO总线对应芯片的11、12引脚主要负责通过配置PHY芯片KSZ8081RNB的寄存器控制PHY芯片的网口速率、网口双工模式、自协商使能等功能。KSZ8081RNB的数据接口是通过RMII和开发板连接，并传输网络数据的。

ENET_PHYAD0、ENET_PHYAD1和ENET_RXD1在芯片上电复位时会锁存一个电平状态作为芯片的PHY地址，在芯片上电后，其数据被锁存到相应寄存器中，而后恢复芯片的默认功能，不会影响通信。由于该款芯片有三条地址线，因此理论上同一块板卡最多可以挂载7颗（001—111。000作为广播地址，是不可以被使用的）。

ENET_CRS_DV、ENET_CFG1、ENET_CFG0是芯片接口模式选择， ELF 1开发板设置为100。

底板网口原理图

扩展板网口原理图

网口电路设计指南

（1）ELF 1开发板可支持两路百兆网。

（2）设计网口电路时8081的10号引脚必须连接6.49K_%1精度的电阻，否则可能会影响网口正常工作出现芯片无法挂载、网口不Link等问题。

（3）MDIO以及RMII接口的引脚要注意电平匹配，核心板为3.3V电平。

（4）MDIO总线上需要加上拉电阻，阻值可以根据实际情况调整。

网口PCB设计指南

（1）MDIO总线上挂载多个PHY芯片时，使用串联方式，不要分叉布线。

（2）RGMII接口分为发送信号，接收信号和控制信号，各组阻抗控制在50Ω±10%。

（3）发送信号和接收信号，布线长度不超过100mm，组内信号长度误差不超过2.54mm。

（4）时钟预留对地电容，方便后期调试。

（5）MDI接口采用差分布线，阻抗100Ω±10%。

（6）MDI组内差分误差不超过0.12mm。

（7）芯片内部DCDC连接的功率电感要靠近芯片保证回路最短，并且保证地回路的完整。

（8）数据线上预留的串联电阻需要靠近源端放置。

（9）保护器件建议放置在变压器内侧，在变压器和PHY之间，靠近变压器。

（10）供电部分要考虑电流的大小，线宽尽量宽一点。要有足够的载流能力，滤波电容的位置尽量靠近芯片。

（11）网口 RJ45 在布线时要注意进行隔离地。

网口问题排查思路

在遇到网口问题时排查网口问题首先要明确问题点，网口不通的情况下首先要看 PHY 有没有成功挂载上，可通过是否可以启动网卡来判断，如果根本看不到设备节点或者在输入启动网卡的命令后报错，找不到 PHY 芯片说明 PHY 芯片没有成功挂载。如果可以正常启动网卡说明 PHY 可以成功挂载。

如果 PHY 没挂载上排查思路如下：

（1）首先看是否有缺件、少件，原件焊接错误的情况，PHY 芯片焊接是否过关等。

（2）检查各路供电是否正常，电源是否稳定，是否有明显压降、跌坑现象。滤波电容容量是否达标。

（3）检查复位电路是否有复位动作，复位后是否可以正常抬起复位信号，复位信号低电平的维持时间是否满足 PHY 的要求。

（4）检查芯片的时钟频率、幅值、以及信号质量是否满足手册要求。不同类型的时钟输入方式原理是否正确。

（5）检查 PHY 芯片的地址、模式、电平配置等参数设置的上下拉电阻是否正常。

（6）检查 MDIO 总线的波形幅值、斜率、是否正常，振铃是否严重，是否有下降沿压降不到0的现象，在 MDC 的上升沿来临时 MDIO 的电平维持时间是否满足硬件资料里网口芯片手册要求等问题。

先将芯片成功挂载后再看网口通不通。如果经过以上检测排查成功将 PHY 芯片挂载但是网口还是不通,那就需要继续检查数据接口部分。根据不同接口的规定来对数据接口的总线进行检查。

（1）按照具体的接口形式检查数据线连接是否正确，在使用MII,RMII,GMII,RGMII时的线序，检查参考时钟波形是否正常。

（2）检查网络变压器的中心抽头的接法是否与PHY 规定的网络变压器的驱动类型相对应。

以上就是对ELF 1开发板网口组件中的几个核心概念做了讲解。然而，“实践出真知”，我们诚挚建议各位小伙伴在理论学习之余，更要亲自进行实践操作，如测试、故障排查等，以便深入理解和掌握网口模块的内在机制。唯有亲手实践，才能使知识领悟更为深刻全面。

倘若在嵌入式学习探索过程中遇到任何疑问或难题，欢迎各位小伙伴与ElfBoard的技术支持团队进沟通交流。我们坚信，通过共同探讨与分享，定能助力您的嵌入式学习之路更上一层楼，一同见证彼此的进步与发展。