以太網(wǎng)，一個我們時常提到的概念。雖然我們已經在對以太網(wǎng)的了解與應用上已經取得了很大的進步，但以太網(wǎng)在實際使用中仍然經常遇到不少挑戰(zhàn)，有可能是功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、也有可能是布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn)，還有可能是危險工況的挑戰(zhàn)等等。

通過以太網(wǎng)物理層設備能夠解決一些困難，以太網(wǎng)PHY作為一種物理層收發(fā)器器件，根據(jù)OSI網(wǎng)絡模式收發(fā)以太網(wǎng)幀。在OSI模式中，以太網(wǎng)覆蓋物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，并由IEEE 802.3標準定義。物理層指定電信號類型、信號速度、介質和連接器類型以及網(wǎng)絡拓撲，實施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太網(wǎng)標準。

PHY的關鍵因素考量

功耗問題肯定是首當其沖的，以太網(wǎng)物理層的功耗對系統(tǒng)的總功耗有著重大影響，采用低功耗物理層設備能夠為系統(tǒng)中的FPGA/MCU/處理器預留提供更多的可用功耗。就單個設備而言，它整體的功耗預算在選用PHY之前就已經確定了，一般不會留給物理層太多的功耗預算，加之線路和環(huán)形拓撲需要兩個端口和兩個PHY，數(shù)據(jù)輸入和輸出的功耗要按翻倍來算，功耗不低根本不足以滿足整個設備的連接要求。


第二處考量則和延遲與同步相關。網(wǎng)絡周期時間是控制器收集和更新所有器件的數(shù)據(jù)存儲器所需的通信時間，低延遲PHY能大大減少網(wǎng)絡周期時間，從而縮短網(wǎng)絡刷新時間，單個周期內將允許更多器件連接到網(wǎng)絡。在帶寬滿足數(shù)據(jù)吞吐量的前提下，降低延遲是完成同步最有效的辦法。帶寬已經滿足了吞吐量的要求，再一味拔高帶寬對延遲反而會有副作用。當然，具體的延遲會根據(jù)協(xié)議不同略有差異。

最后一點是老生常談的穩(wěn)健性，PHY需要在惡劣的工作環(huán)境下，能夠承受外部輻射和傳導噪聲源。穩(wěn)健可靠的PHY需要應對浪涌、快速瞬變脈沖、ESD、射頻場感應傳導干擾等等風險。

在這三點考量之外，其實數(shù)據(jù)速率的可拓展性對于PHY也很重要，現(xiàn)場級連接采用100 Mbps PHY中運行工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)連接，PLC和運動控制器之間的連接需要高帶寬的千兆（1000BASE-T）TSN以太網(wǎng)連接，采用支持不同協(xié)議數(shù)據(jù)速率的PHY將讓整個系統(tǒng)拓展性大增。

Ethernet-APL標準帶來的數(shù)據(jù)速率可拓展性突破

數(shù)據(jù)速率的可拓展性與Ethernet-APL有著直接關系。Ethernet-APL，以太網(wǎng)高級物理層，嚴格來說是基于單對以太網(wǎng)（SPE）的增強物理層，按照新的10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網(wǎng)物理層標準，將以太網(wǎng)設備的進展推動了一大步。Ethernet-APL作為以太網(wǎng)的邏輯擴展，能夠支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級別的協(xié)議。

遠距離的單對以太網(wǎng)10BASE-T1L物理層設備可以將以太網(wǎng)連接延伸至遠程位置的邊緣節(jié)點，該技術支持傳送新的數(shù)據(jù)流、額外的過程變量和輔助測量數(shù)據(jù)。Ethernet-APL能夠將現(xiàn)場設備直接連接到更高級別的系統(tǒng)，從而首次實現(xiàn)跨所有流程管理的統(tǒng)一通信基礎設施。要與支持以太網(wǎng)APL的設備進行通信，需要具有集成介質訪問控制的主機處理器或具有10BASE-T1L端口的以太網(wǎng)設備。

如上圖，該器件集成以太網(wǎng)PHY內核以及所有相關的模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器以及MAC接口和控制邏輯，用以支持Ethernet-APL過程自動化帶來長距離、穩(wěn)健的10BASE-T1L以太網(wǎng)連接。

Ethernet-APL直接加快了跨行業(yè)的IT/OT網(wǎng)絡融合，借助以太網(wǎng)物理層設備，下游應用可以在集成了Ethernet-APL的設備上自由實施多種協(xié)議，大大提高數(shù)據(jù)速率的可拓展性。

小結

在終端節(jié)點數(shù)量加速增長的背景下，為了實現(xiàn)以太網(wǎng)的無縫傳輸，如何在以太網(wǎng)物理層PHY上解決功耗、延遲以及數(shù)據(jù)可拓展性問題至關重要。在Ethernet-APL的加持下，這些物理層設備有望徹底解決以太網(wǎng)在實際使用中遇到的各種挑戰(zhàn)。