物理层器件PHY(Physical Layer Interface Devices)是将各网元贯串到物理介质上的要津部件。认真完成互连参考模子(OSI)第1层中的功能，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理贯串所需的机械、电气、光电调理和规程技巧。其功能包括开荒、休养和撤废物理电路，竣事物理层比特bit流的透明传输等。频繁物理层的功能均被集成在一个芯片之中正规银河娱乐网址，本文主要先容了物理层的主邀功能和主要接口以及以太网PHY芯片是怎样竣事这些功能的。

1、物理层(PHY)的结构

为了更好的讲述以太网物理层PHY芯片的主邀功能，咱们当先先容一下物理层的结构。物理层是OSI的第一层，它天然处于最底层，却是通盘绽开系统的基础。物理层为设备之间的数据通讯提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。其功能：透明的传送比特流；

如图1所示，物理层包括四个功能层和两个层接口，四个功能层为：物理编码子层、物理介质贯串子层、物理介质关系子层和自动协商子层；两个层接口为物理介质无关层接口（MII）和物理介质关系层接口（MDI），在MII的表层是逻辑数据链路层（DLL），而MDI的基层则径直与传输介质邻接，以太网物理层PHY芯片竣事的功能等于上头所提到的四层和两个接口的功能。

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图1 物理层结构

2、以太网PHY芯片主邀功能

以太网中PHY芯片的种类繁密，芯片因循的物理层圭表法子亦然多种万般，数据单板上使用PHY芯片是BROADCOM公司的BCM5248和MARVELL公司的88E1111，BCM5248因循的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX圭表法子，88E1111因循10Base-T、100Base-TX和1000Base-T圭表法子。

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这里主要先容了常用的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX法子下PHY芯片主要完成的功能，如图2所示。在10Base-T的法子下，发送数据的经由为由MAC层的数据当先经过Manchester编码，然后经过串并调理，调理后的串行码流经过NRZ编码，临了经过DAC调理后送到5类双绞线上去进行传输，接纳数据经由违犯。

（1）在100Base-TX的法子下，发送数据的经由为由MAC层的数据当先经过4B/5B编码，然后经过串并调理，调理后的串行码流经过NRZI编码，NRZI编码后的数据还需要经过扰码和MLT-3编码，临了经过DAC调理后送到5类双绞线好像更高的电缆上去进行传输，接纳数据经由违犯。

（2）在10Base-T的法子，发送数据的经由为由MAC层的数据当先经过串并调理，调理后的串行码流经过NRZ编码，再经过Manchester编码，临了经过DAC调理后送到5类双绞线上去进行传输，接纳数据经由违犯。

（3）在100Base-FX的法子下，发送数据的经由为由MAC层的数据当先经过4B/5B编码，然后经过串并调理，调理后的串行码流经过NRZI编码，径直送到光纤上进行传输，接纳数据经由违犯。底下将幽静讲述各个子层和接口的功能。

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图2 在10Base-T/100Base-TX/100Base-FX法子下PHY芯片主要完成的功能

3、物理介质无关层接口(MII)

MII逍遥ISO/IEC8802-3和IEEE802.3法子的条件，因循以太网数据传输速度为10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s或10Gbit/s。MII接口主要由与链路层之间的端口（MAC-PHY）和与站处罚实体（STA: Station Management Entity）之间的端口（STA-PHY）两部分构成。

3.1 MAC-PHY端口

这是MAC与PHY器件之间的接口，包括同步收发接口和介质现象终止接口。在介质现象终止接口中有载波读出信号（CRS: Carrier Sense Signal）和碰撞检测信号（COL: Collision Detection Signal）等。

3.2 STA-PHY端口

STA-PHY行动MII接口的一部分，用于在STA和PHY器件之间交换联系终止、现象和建设方面的信息。为此，ISO/IEC、IEEE圭表了这个双线串行处罚接口的关系契约及处罚信息帧的结构和处罚寄存器的法子。

(1) 处罚寄存器

按法子，处罚寄存器集（Management Register set）包括强制性“基本终止”寄存器（Mandatory “Basic Control” Registers）、现象寄存器（Status Registers）和专用延迟寄存器ICS（Specific Extended Registers）几部分。

(2) 处罚信号帧结构

处罚接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的建设、终止和现象数据，运用界说的寄存器集来竣事PHY和STA的数据交换。STA不错启动扫数的处理功能。ISO/IEC、IEEE对串行处罚数据流界说了关系处罚帧结构和契约。

3.3 常用PHY芯片的MII接口

常用PHY芯片的物理介质无关层接口包括：

（1）媒质无关接口(MII: Medium Independent Interface)

（2）简化媒质无关接口(RMII: Reduced Media Independent Interface)

（3）串行媒质无关接口(SMII: Serial Media Independent Interface)

（4）源同步串行媒质无关接口(SS-SMII: Source Synchronous-Serial Media Independent Interface)

（5）千兆媒质无关接口(GMII: Gigabit Media Independent Interface)

（6）简化千兆媒质无关接口(RGMII: Reduced Gigabit Media Independent Interface)

（7）串行千兆媒质无关接口(SGMII: Serial Gigabit Media Independent Interface)。

具体每种接口的信号界说和数据发送时序在此就未几讲，实质职责经由中遭遇某种接口查阅关系文档即可。接口幽静贵寓可参见本公众号上一篇著述《以太网接口硬件常识》。

4、物理编码子层(PCS)

物理编码子层PCS有两个对外接口，一是与MII的接口，二是与物理介质贯串子层(PMA: Physical Medium Attachment Sublayer)的接口。PCS子层战胜ISO/IEC8802.3和IEEE802.3法子，物理编码子层的主邀功能包括对信号的编码译码、收发处理、处罚和终止等。这里可用100Base-TX速度来考虑PCS子层要完成的功能。

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4.1 PCS在100Mbit/s与10Mbit/s 下的职责容貌

一般称10Base-T为以太网，100Base-TX为快速以太网，两者信号的速度，推行的契约以及取舍的传输介质均有所不同。PCS子层关于100Base-TX信号进行4B/5B编译码、扰码（Scrambled）和MLT-3编码，将信号交换为62.5MHz的三元数据，然后通过防止变压器送入5类双绞线电缆好像比5类双绞线电缆更好地电缆融会中传输。关于10Base-T信号则需进行曼切斯特（Manchester）编译码和关系的处理。对100Base-TX信号和10Base-T信号处理的功能比拟如表1所示。

表1 100Base-TX和10Base-T信号处理功能的比拟

信号

称号

速度

契约

传输介质

信号主要处理经由

10Base-T

以太网信号

10

IEEE 802.3

3类UTP、STP

Manchester编码

100Base-TX

快速以太网信号

62.5

IEEE 802.3u

5类UTP、STP

4B/5B->扰码->MLT-3

4.2 PCS发送子层

这里考虑10Mbit/s和100Mbit/s两种情况。PCS发送子层的功能是编码、碰撞检测与并/串变换等。

4.2.1 100Mbit/s PCS发送子层

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PCS发送10Base-TX的数据需要进行4B/5B编码，即是将4bit数据构成的奈培（nib）变换成由5bit数据构成的码字。4B/5B编码的主义等于将数据包的肇始符、帧扫尾、空载与终止功能等记号齐编成码组进行传输。将4B码的nib映射入5B码字的经由是按IEEE 802.3法子圭表进行的。

每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit)暗示帧前序（Frame Preamble）。PCS将前二个奈培用数据流肇始标帜符/J/K/代替，并在帧扫尾时加入数据流扫尾标帜符/T/R/，用于暗示包的扫尾(ESD: End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器相同在包之间填充间隔空信号（Idle Period）。用间隔空（Idle）记号竣事数据流的一语气性。表2即是4B/5B编码表，编码后的记号送入后头的扰码器。

表2 4B/5B编码表

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PCS发送的子层4B/5B编码，有32种5bit的编码组合，其中16种5bit组合用于暗示原16捉nib(4bit)的组合；另16种5bit组合，IEEE法子界说了6种用于终止使用的组合，还有10种以为作恶的组合。IEEE界说的6种终止码组是：

（1）/H/暗示一个发送症结；

（2）/I/暗示一个IDLE空载；

（3）两个码组暗示数据流肇始象征符（SSD）；

（4）/J/和/K/；

（5）两个码组暗示数据流扫尾标帜符（ESD）；

（6） /T/和/R/；

4.2.2 10Mbit/s的PCS发送子层

按ISO/IEC、IEEE法子的条件，10Mbit/s的PCS发送子层取舍Manchester编码，即运用数据与时钟相“异或”，使数据每bit的前一半CLK取数据的补码，后一半CLK取数据的原码，从而保证跃变沿老是发生在每bit的中央处。Manchester编码器在数据包扫尾后加入一个肇始空脉冲（SOI: Start of Idle Pulse）。在编码经由中包与包之间的间隔则不进行编码，由链路脉冲填充。Manchester编码经由的时辰关系如图3所示。

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图3 Manchester编码经由的时辰关系图

从MAC/Repeater接口来的4bit的nib流或串行bit流，运用Manchester编码进行编码。编码的逻辑是：

（1）二进制NRZ数据“1”

当码元（bit）周期前半周期时取负值；

当码元（bit）周期后半周期时取正巧。

（2）二进制NRZ数据“0”

当码元（bit）周期前半周期时取正巧；

当码元（bit）周期后半周期时取负值。

使用Manchester编码的优点，一是每个bit周期可有一编码时钟；二是不必探讨数据自己是“0”还是“1”，加多了数据的跃变沿。但它的流毒是编码后的数据率加多了一倍。

PCS子层还可完成碰撞检测，即在数据传输和汲取同期发生时，需按法子圭表和左证职责容貌进行处理。在半双工职责容貌下，发生碰撞时产生检测信号（COL: Collision Detection Signal），而在全双工职责容貌下，不产生COL。

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4.3 PCS汲取子层

4.3.1 PCS汲取子层的功能

PCS汲取子层主要完成以下功能：

（1）串/并变换；

（2）载波检测；

（3）4B/5B或Manchester译码；

（4）码构成帧。

即PCS汲取子层现象机一语气汲取从PMA来的数据，将其由串行变换为并行，以及成帧和译码，之后送到MAC/Repeater接口。汲取现象机则在汲取和数据现象判断之间进行调理并一语气这个经由，直到发生下述情况之一时为止：

（1）数据流扫尾标帜符（ESD，即/T/R/记号）；

（2）有症结发生；

（3）过早扫尾（空号）。

依据ESD，汲取现象机复返到Idle现象时，ESD并莫得被送入MAC/Repeater接口，因此检测出的症结将迫使汲取现象机宣告汲取错，并恭候后头记号。若汲取现象机检出“过早扫尾信号(Premature end)”，相同也要宣告汲取错，而复返Idle现象。

4.3.2 100Mbit/s的PCS汲取子层4B/5B译码

由于从双绞线对输入的数据在发端进行了4B/5B编码，因此在汲取端必须运用4B/5B译码器进行译码，行将5B码组映射成4B码。4B/5B译码器的输入来自解扰器(Descrambler)。按表3所示，将5bit码组变换为4bit的nib。4B/5B译码器应当先将SSD帧符（/J/K/记号）撤废并用两个4B数据“5”nb(/5/记号)来代替，对ESD帧符（/T/R/记号）也需要被撤废并用两个4B数据“0”nib（/I/记号）代替。

表3 4B/5B记号译码表

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4.3.3 10Mbit/s PCS汲取子层Manchester译码

Manchester译码器将从双绞线对汲取到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载开动脉冲(SOI: Start of Idle)撤废。在发送端，NRZ数据被Manchester编码，即数据和时钟相异或。在汲取端，数据再次和时钟相异或，就不错回复出原始数据。图4、图5即为ML2653型10Base-T物理接口芯片发收Manchester信号编译码的定时图。

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图4 发送系统定时图

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图5 汲取系统定时图

PCS子层提供CRS载波检测信号（Carrier Sense Signal）和碰撞检出信号（Collision Detection Signal），用这两个终止信号竣事对MII接口的终止与处罚。

5、物理介质贯串子层(PMA)

PMA与PCS及PMD子层邻接，因此必须有两个接口：一个是到上边PCS子层的接口，另一个是到下边PMD子层的接口。PMA子层主邀功能是：

(1) 链路监测(Link Monitoring)；

(2) 载波检测(Carrier Detecting)；

(3) NRZI编/译码(NRZI En-coding/Decoding)；

(4) 发送时钟合成(Transmit Clock Synthesis)；

(5) 汲取时钟回复(Receive Clock Recovery)；

5.1 PMA发送子层

PMA发送子层(PMA Transmit Sublayer)从PCS子层汲取串行比特流何况将其变换为NRZI步地(10Mbit/s无谓)，然后将其送入物理介质关系子层(PMD)。

PMA使用数字锁相环(PLL)合成技巧，从时钟法子接口得到需要发送的时钟脉冲，并左证法子时钟接口的安排，得到不同的发送时钟值。

在PMA发送子层需进行NRZI（Non Return to Zero Inverter）编码，这是一种两电平的单极性（O和V）编码。用两电平之间的跃变暗示数据“1”，无跃变暗示“0”。在这里NRZI编码为将数据变换成MLT-3编码作了准备。具体实举例图6所示。

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图6 NRZI和MLT-3编码波形实例

6月22日正值端午佳节，怀孕29周的颜女士却因突发胸背部剧烈疼痛，被家人送至中南大学湘雅医院急诊科，心脏大血管外科总住院朱洪主治医师根据外院检查资料判断患者为妊娠合并急性B型主动脉夹层。

5.2 PMA汲取子层

PMA汲取子层主要完成底下两个功能：

(1) NRZI译码(NRZI Decoding/10Mbit/s无谓): 行将从PMD子层汲取的串行bit流进行NRZI译码，并将其变换成单极性的二进进PCS子层。

(2)汲取时钟回复(Receive Clock Recovery): 即汲取时钟回复是由PLL完成的，此PLL锁定于从PMD子层汲取条串行数据流上。PLL自动同步于串行数据流并从中索取时钟，临了将回复时钟和NRZI译码后的数据流送到PCS子层。

当PMA汲取子层莫得检出任何汲取信号时，PMA运用发送时钟行动PLL的参考法子时钟。在100Base-TX信号情况下，回复出25MHz的时钟。而在10Base-T信号常常钟信号则是2.5MHz。

PMA汲取子层的链路监视功能(Link Monitoring Function)不错来监视汲取时钟PLL。若汲取时钟PLL莫得拿获锁定的串行数据流，则产生一个症结信号。在一般情况下，PMA链路监视功能块是一语气统计与其贯串的链路现象。若莫得检出汲取信号好像PLL误帧，则宣告汲取通说念症结。

6、物理介质关系子层(PMD)

这里主要先容100Base-TX速度下的双绞线对物理介质关系天的子层(TP-PMD：Twisted-Pair Physical Media Dependent)。按照ISO/IEC IEEE的法子，100Base-TX TP-PMD具有对数据流扰码、解忧码、三电平、多跃变沿MLT-3编译码功能及对汲取信号进行直流回复和自血压计匀衡。

6.1 数据流的扰码器/解扰器

在频繁情况下，数字传输系统的鲁棒性(Robustness)依赖于数字信号源的统计特质。举例，汲取时钟是从汲取数据索得转头的，长串“0”和“1”可能引起同步的丢失。为了使定时回复电路处于同步现象，数据信号必须包含富裕的跃变沿。

IEEE 802.3u契约允许出现一些重迭的数据图形，这些重迭的数据图形在融会信号的功率频谱密度散播中出现能量峰值，其不一语气的频谱重量是无益的，必须将其遏制掉。运用扰码(Scrambling)技巧延迟这些图形从而遏制掉这些不一语气峰值重量达20dB~25dB。这是因为在一定周期时辰内信号数据的立时性使得数据信号有均匀功率输出。这么，峰值能量被排斥，从而改善了发送性能。

在发端TP-PMD子层对4B/5B编码信号进行扰码。扰码器(Scrambler)将鄙俗的NRZ bit流运用键控、模2加的设施产生一个被扰码的数据流。其职责经由是：一个11bit的线性反应移位寄存器(LFSR: Linear Feedback Shift Register)的输入是第11bit和第9bit的模2加(Exclusive-OR)，移位寄存器中至少包含有一个非零bit，其产生的伪立时序列不错与需要扰码的信号相加，临了得到已扰码的信号（10Mbit/s无谓扰码）。

解扰器(Descrambler)的作用是将被扰码的数据进行解扰，回复成原NRZI数据信号。在数据解扰前，应当先竣事解扰器同步，一朝开荒了解扰器同步，在给定的时间内，只好检出富裕扰码空载图形“1”的个数，即在1ms时辰内至少应检出25个一语气解扰空信号“1”，就能保捏同步现象。若在1ms时辰内莫得检出25个一语气解扰空信号“1”，则解扰将失步，而需要再行开荒同步经由。

6.2 100Base-TX MLT-3编码器/译码器

MLT-3融会编码(MLT-3 Line Code)用于使用电缆介质的快速以太网。MLT-3是一种三电平双极性编码(+V、0和-V)，用两电平之间的跃变沿来暗示“1”，而无跃变沿暗示“0”。这里，MLT-3的最高基频是NRZI的一半。使用MLT-3编码可使高频频谱能量移向低于30MHz的边际区。与NRZI比拟，MLT-3编码90%以上的频谱能量在40MHz以下，而NRZI则在70MHz以下。这么，在相易数据率下，不条件有更高带宽的传输介质。

MLT-3编码器将从扰码器来的NRZI扰码信号(NRZ)变换为三电平MLT-3编码信号；MLT-3译码器则作反变换恢还原NRZI扰码信号。在这里从中索取了时钟，并运用此时钟进行译码。

6.3 直流回复(DC Restoration)

在100Base-TX数据流的扰码和MLT-3的编码中，可能存在一定长度的连“1”或连“0”序列，使得数据流中产生直流重量，变压器的隔直也会引起信号“基线”的漂移，即“基线”信号从其畴昔额定直流值迁移或漂移，而不利于汲取机关于噪声的遏制特质，因此需要回复信号原直流重量。

6.4 自适合平衡器(Adaptive Equalizer)

当数据在电缆中传输时，由于色散特质，将会导致信号失真和码间烦躁(ISI: Inter Symbol Interference)，因此在汲取机中必需采用措施将进来的失真和码间烦躁信号回复成原信号。失果然产生依赖于信号的频谱和介质环路的长度。由于在大齐情况下，双绞线对(TP)端口的特质是未知的，何况每个端口条件平衡的特质也不相易，因此，在TP-PMD法子中，建议了使用自适合平衡器恢还原信号的条件，以保证对汲取信号进行适应的抵偿。自动平衡的设施之一是监视汲取信号的能量，用以笃定传输介质的长度，并据此调整平衡器的性能。因为，汲取信号的幅度与传输的缆长是成正比的，是以若信号电平镌汰，则会加多平衡的总量，而便于抵偿信号在融会中的亏损。

6.5 双绞线对辐射机

一般的双绞线对辐射机(Twittered-Pair Transmitter)编码器、波形发生器以及传输介质融会驱动器所构成。波形发生器接纳MLT-3编码波形，并使用一个电流源交换阵列来终止输出信号上涨/下落沿的时辰和信号的幅度电平。为了平滑此电流型信号输出和裁撤高频重量，需通过一个低通滤波器，使发送的输出波形逍遥联系脉冲样板的法子。电流驱动型差动驱动器将平滑后允洽条件的波形变换为不错驱动10m、100欧姆的5类非屏蔽双绞线电缆或100m、150欧姆屏蔽双绞线电缆的电流输出。临了与传输介质的接口是一个防止变压器。

6.6 双绞线对接射机

一般双绞线对汲取机被制作成通用模块，通过一个防止变压器与传输介质贯串。从双绞线对(TP)输入的信号当先参加自适合平衡器，在这里关于缆的低通特质进行抵偿，接着参加“基线漂移纠正电路”回复由变压器隔去的波形直流重量。比拟器将平衡后的信号变换回原数字电平供“镇噪电路(Squelch Circuit)”使用。MLT-3译码器汲取从比拟器来的三电平MLT-3信号何况将其变换为惯例数字数据，用来往复时钟和数据。其全经由如图7 所示。

6.7 自动极性纠正与防止变压器

一般的100Base-TX莫得极性问题，然而自动协商(FLP)关于极性是比拟贤达的。自动极性纠正(Auto Polarity Correction)功能主如果应用于10Base-T职责形势，频繁运用圭表链路脉冲(NLP: Normal Link Pulses)试验信号极性，从而纠正反向的信号极性。

ISO/IEC8802-3、IEEE802.3法子条件要通过防止变压器(Isolation Transformer)与电缆传输介质贯串。而典型的磁性器件模块包含两个防止变压器，一个用于双绞线对辐射机，另一个用于汲取机。通过这两个防止变压器与传输介质物理防止和交流耦合。

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7 自动协商子层(AUTONEG)

7.1 自动协商子层功能

自动协商子层(AN: Auto-Negotiation Sublayer)频繁有以下功能：

（1）笃定在链路段介质或电缆贯串的另一端设备所具有的才略；

（2）告示远端链路设备中上述才略；

（3）与链路远端设备交换彼此表征技巧才略的数据参数，何况与远端链路设备开荒契约，自动取舍共有的最高性能职责容貌。包括职责速度(10/100/1000Mbit/s)、传输介质和半/全双工容貌。

自动协商功能是在开荒链路两头设备中取舍共有的最高性能职责的容貌，其算法和链路齐全性算法的区别在于：法子链路齐全性算法仅用于开荒战斗远端设备的行径链路，而自动协商算法规是在取舍两头共有的最高性能后，还要开荒战斗远端设备的激活链路。

7.2 自动协商子层的启动

在以下事件之一发生时，需启动自动协商功能算法：

（1）设备选通自动协商功能；

（2）设备参加链路故障(Fail)现象；

（3）自动协商复位。

在ISO/IEC 8802-3法子的附录28B中，列出了各式技巧的优先权规矩，如下所示：

（1）100Base-TX全双工（最高优先权）；

（2）100Base-T4；

（3）100Base-TX半双工；

（4）10Baed-T全双工；

（5）10Base-T半双工（最低优先权）。

一般地说，自动协商推行的经由要小于500ms，这与对端完成自动协商链路的才略无关。自动协商经由的监视器不错监视自动协商经由和链路是否开荒。

总结

PHY物理层器件应逍遥CSMA/CD以太网ISO/IEC 8802-3的法子条件。前边分离幽静描摹了MII接口、物理编码子层(PCS)、物理介质贯串子层(PMA)、物理介质关系子层(PMD)以及自动协商(Auto-Negotiation)功能和旨趣。现将各部分功能详尽于表4之中，以进行比拟。

表4 以太网物理层PHY芯片功能表

MII

PCS

PMA

TP-PMD

AUTONEG

MDI

接MAC/PHY端口；接STA/PHY处罚端口

4B/5B编译码

（100Mbit/s）;

碰撞检测；

串并调理；

Manchester编译码（10Mbit/s）;

MAC/Repeater接口终止

链路监测；

载波监测；

NRZI/NRZ编译码（100Mbit/s）;

时钟合成/回复

扰码/解扰（100Mbit/s）;

NRZI/MLT-3编译码（100Mbit/s）;

直流回复；

自动极性纠正；

发送/汲取变压器防止

NLP链路齐全性（主要用于10Mbit/s）;

FLP自动协商

与传输介质邻接

泉源：硬件电子工程师

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