PHY的自适应协商简析

一、自动协商核心定义

自动协商（Auto-Negotiation）是以太网物理层（PHY）芯片的核心功能，遵循 IEEE 802.3 Clause 28 标准，用于链路两端设备自主匹配最优工作参数，无需人工配置。其本质是 PHY 与 PHY 之间的底层通信协商，与 MAC 层无直接交互，完全由硬件逻辑实现，不产生高层协议开销。

核心目标

速率匹配：自动选择两端共同支持的最高速率（10Mbps/100Mbps/1000Mbps 等）；
双工模式匹配：协商全双工（Full Duplex）或半双工（Half Duplex）模式；
辅助功能协商：如流量控制（Pause 帧）、MDI/MDI-X 交叉模式等。

二、自动协商的底层机制

1. 协商信号载体：链路脉冲

自动协商通过物理层发送特定脉冲序列传递能力信息，分为普通链路脉冲（NLP） 和快速链路脉冲（FLP） 两类，二者的区别直接对应不同速率场景。

脉冲类型	适用场景	脉冲特征	核心作用
NLP（Normal Link Pulse）	10BASE-T（10Mbps）	单脉冲，间隔 16ms，持续 100ns	1. 检测链路是否连通； 2. 传递 10Mbps 模式能力
FLP（Fast Link Pulse）	100BASE-TX（100Mbps）、1000BASE-T（1000Mbps）	脉冲组（含时钟 + 数据脉冲），每组间隔 16ms，脉冲间隔 312.5ns	1. 检测链路连通性； 2. 编码传递速率、双工等能力信息

脉冲编码原理

FLP 脉冲组由 "时钟脉冲" 和 "数据脉冲" 组成：

时钟脉冲：提供同步基准，固定间隔发送；
数据脉冲：通过 "存在 / 不存在" 表示二进制 0/1，编码链路能力（如 100Mbps 全双工对应特定二进制序列）。

2. 协商核心流程（两端均支持自动协商）

自动协商是 "能力通告→能力匹配→链路建立" 的闭环过程，完全由 PHY 硬件自主完成，具体步骤如下：

初始化触发

设备上电、复位、网线插拔或管理命令触发后，若自动协商使能，PHY 开始发送 FLP/NLP 脉冲。
能力通告
- 本地 PHY 通过 FLP/NLP 向对端广播自身能力 （如支持 100Mbps 全双工、10Mbps 半双工等），能力配置存储在自动协商通告寄存器（PHY 标准地址 0x04）；
- 对端 PHY 接收脉冲后，解析能力信息并存储在链路伙伴能力寄存器（PHY 标准地址 0x05）。
能力匹配

本地 PHY 对比自身与对端的能力，按 "速率从高到低、双工从全到半" 的优先级选择最优共同模式，优先级排序为（以 10/100Mbps 为例）：

100BASE-TX 全双工 → 100BASE-TX 半双工 → 10BASE-T 全双工 → 10BASE-T 半双工。
协商完成与链路建立
- 匹配完成后，PHY 将基本状态寄存器（0x01）的 "自动协商完成位（Bit5）" 置 1；
- 按协商结果配置速率、双工等参数，建立物理链路，此时 "链路状态位（0x01 Bit2）" 置 1。
并行检测（备用机制）

若对端不支持自动协商（不发送 FLP），本地 PHY 启动 "并行检测"：通过监听对端的信号特征（如 10BASE-T 的 NLP、100BASE-TX 的 idle 符号）被动匹配工作模式。

三、关键寄存器配置（PHY 标准寄存器）

自动协商的配置、状态查询依赖 PHY 的标准寄存器，核心寄存器及功能如下：

寄存器地址（Hex）	名称	关键位功能	操作模式
0x00	基本控制寄存器	Bit12：自动协商使能（1 = 使能，0 = 禁用） Bit9：重启自动协商（1 = 触发，自清除） Bit13：手动速率选择（协商禁用时生效） Bit8：手动双工选择（协商禁用时生效）	RW
0x01	基本状态寄存器	Bit5：自动协商完成（1 = 完成，0 = 未完成） Bit2：链路状态（1 = 已建立，0 = 断开） Bit14-11：本地支持的速率 / 双工能力	RO
0x04	自动协商通告寄存器	Bit8：通告 100TX 全双工能力 Bit7：通告 100TX 半双工能力 Bit6：通告 10T 全双工能力 Bit5：通告 10T 半双工能力 Bit11-10：通告流量控制能力	RW
0x05	链路伙伴能力寄存器	与 0x04 位定义完全对应，存储对端能力	RO
0x06	自动协商扩展寄存器	Bit4：并行检测故障（1 = 故障） Bit0：对端是否支持自动协商	RO

1. 千兆 PHY 的强制协商要求

根据 IEEE 802.3 协议，千兆 PHY（1000BASE-T）必须启用自动协商，无法像 10/100Mbps 那样直接强制配置速率。原因如下：

主从关系协商：千兆通信需要确定两端 PHY 的 "主时钟" 和 "从时钟"，避免时钟同步冲突，该过程依赖自动协商；
信号调制差异：千兆采用 4 对差分线同时传输，需通过协商同步线对映射、编码方式等参数；
协议规定：802.3 标准明确千兆模式无 "强制配置" 选项，仅能通过关闭 10/100Mbps 能力间接实现 "强制千兆"（即仅通告千兆能力）。

2. 协商失败的常见原因与排查

故障现象	可能原因	排查方案
协商完成但速率 / 双工不匹配	两端能力无交集（如一端仅支持 100Mbps 全双工，另一端仅支持 10Mbps 半双工）	读取 0x04（本地能力）和 0x05（对端能力）寄存器，确认共同能力
协商超时（0x01 Bit5 始终为 0）	1. 网线故障或长度超限（CAT5 最大 100 米） 2. 对端未启用自动协商 3. PHY 寄存器配置错误	1. 用 LinkMD 工具诊断线缆； 2. 禁用本地协商，手动配置模式测试； 3. 复位 PHY 并重写配置寄存器
链路频繁断开（0x01 Bit2 反复跳变）	1. 电磁干扰（EMI） 2. 对端设备不稳定 3. 电源纹波过大	1. 使用屏蔽网线并远离干扰源； 2. 更换对端设备测试； 3. 优化 PHY 供电滤波电路

3. 双工模式不匹配的风险

若两端双工模式不一致（如一端全双工、一端半双工），会导致严重的通信故障：

半双工端会检测到 "虚假碰撞"，触发退避机制，导致速率骤降；
全双工端无碰撞检测，持续发送数据，导致数据包丢失。
解决方法：优先启用自动协商；若手动配置，需确保两端双工模式完全一致。

四、总结

自动协商是以太网物理层实现 "即插即用" 的核心技术，其本质是 PHY 通过 FLP/NLP 脉冲交换能力信息，自主匹配最优工作模式。在实际应用中，需理解其硬件实现逻辑、寄存器配置方法及协议约束（尤其是千兆 PHY 的强制协商要求），同时通过内核状态机的周期性调度实现链路状态的实时监控与同步，确保以太网链路稳定、高效运行。