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

通過以太網物理層設備能夠解決一些困難，以太網PHY作為一種物理層收發器器件，根據OSI網絡模式收發以太網幀。在OSI模式中，以太網覆蓋物理層和數據鏈路層的一部分，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絡拓撲，實施1000 Mbps的1000BASE-T、100 Mbps的100BASE-TX和10 Mbps的10BASE-T以太網標準。

PHY的關鍵因素考量

功耗問題肯定是首當其沖的，以太網物理層的功耗對系統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，加之線路和環形拓撲需要兩個端口和兩個PHY，數據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。網絡周期時間是控制器收集和更新所有器件的數據存儲器所需的通信時間，低延遲PHY能大大減少網絡周期時間，從而縮短網絡刷新時間，單個周期內將允許更多器件連接到網絡。在帶寬滿足數據吞吐量的前提下，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，具體的延遲會根據協議不同略有差異。

最后一點是老生常談的穩健性，PHY需要在惡劣的工作環境下，能夠承受外部輻射和傳導噪聲源。穩健可靠的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，其實數據速率的可拓展性對于PHY也很重要，現場級連接采用100 Mbps PHY中運行工業以太網協議的以太網連接，PLC和運動控制器之間的連接需要高帶寬的千兆（1000BASE-T）TSN以太網連接，采用支持不同協議數據速率的PHY將讓整個系統拓展性大增。

Ethernet-APL標準帶來的數據速率可拓展性突破

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

遠距離的單對以太網10BASE-T1L物理層設備可以將以太網連接延伸至遠程位置的邊緣節點，該技術支持傳送新的數據流、額外的過程變量和輔助測量數據。Ethernet-APL能夠將現場設備直接連接到更高級別的系統，從而首次實現跨所有流程管理的統一通信基礎設施。要與支持以太網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端口的以太網設備。

如上圖，該器件集成以太網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、穩健的10BASE-T1L以太網連接。

Ethernet-APL直接加快了跨行業的IT/OT網絡融合，借助以太網物理層設備，下游應用可以在集成了Ethernet-APL的設備上自由實施多種協議，大大提高數據速率的可拓展性。

小結

在終端節點數量加速增長的背景下，為了實現以太網的無縫傳輸，如何在以太網物理層PHY上解決功耗、延遲以及數據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在實際使用中遇到的各種挑戰。