物理层器件PHY(Physical Layer Interface Devices)是将各网元贯穿到物理介质上的要津部件。慎重完成互连参考模子(OSI)第1层中的功能，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理贯穿所需的机械、电气、光电调度和规程妙技。其功能包括建筑、爱护和撤消物理电路亚星炸金花，杀青物理层比特bit流的透明传输等。频频物理层的功能均被集成在一个芯片之中，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芯片是怎样杀青这些功能的。

1、物理层(PHY)的结构

为了更好的施展以太网物理层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，它固然处于最底层，却是总计这个词洞开系统的基础。物理层为开荒之间的数据通讯提供传输媒体及互连开荒，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、物理介质贯穿子层、物理介质相干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）和物理介质相干层接口（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贯串，以太网物理层PHY芯片杀青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芯片的种类昌盛，芯片维持的物理层范例标准亦然多各样种，数据单板上使用PHY芯片是BROADCOM公司的BCM5248和MARVELL公司的88E1111，BCM5248维持的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX范例标准，88E1111维持10Base-T、100Base-TX和1000Base-T范例标准。

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这里主要先容了常用的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX标准下PHY芯片主要完成的功能，如图2所示。在10Base-T的标准下，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过Manchester编码，然后经过串并调度，调度后的串行码流经过NRZ编码，临了经过DAC调度后送到5类双绞线上去进行传输，接收数据历程违抗。

（1）在100Base-TX的标准下，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过4B/5B编码，然后经过串并调度，调度后的串行码流经过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调度后送到5类双绞线概况更高的电缆上去进行传输，接收数据历程违抗。

（2）在10Base-T的标准，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过串并调度，调度后的串行码流经过NRZ编码，再经过Manchester编码，临了经过DAC调度后送到5类双绞线上去进行传输，接收数据历程违抗。

（3）在100Base-FX的标准下，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过4B/5B编码，然后经过串并调度，调度后的串行码流经过NRZI编码，径直送到光纤上进行传输，接收数据历程违抗。底下将详备诠释各个子层和接口的功能。

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

3、物理介质无关层接口(MII)

MII恬逸ISO/IEC8802-3和IEEE802.3标准的条件，维持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）和与站惩办实体（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情状戒指接口。在介质情状戒指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行为MII接口的一部分，用于在STA和PHY器件之间交换关系戒指、情状和设置方面的信息。为此，ISO/IEC、IEEE范例了这个双线串行惩办接口的相干左券及惩办信息帧的结构和惩办寄存器的标准。

(1) 惩办寄存器

按标准，惩办寄存器集（Management Register set）包括强制性“基本戒指”寄存器（Mandatory “Basic Control” Registers）、情状寄存器（Status Registers）和专用延迟寄存器ICS（Specific Extended Registers）几部分。

(2) 惩办信号帧结构

惩办接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的设置、戒指和情状数据，欺诈界说的寄存器集来杀青PHY和STA的数据交换。STA不错启动总计的处理功能。ISO/IEC、IEEE对串行惩办数据流界说了相干惩办帧结构和左券。

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，骨子责任历程中遭逢某种接口查阅相干文档即可。接口详备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，二是与物理介质贯穿子层(PMA: Physical Medium Attachment Sublayer)的接口。PCS子层战胜ISO/IEC8802.3和IEEE802.3标准，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、惩办和戒指等。这里可用100Base-TX速度来究诘PCS子层要完成的功能。

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4.1 PCS在100Mbit/s与10Mbit/s 下的责任形态

一般称10Base-T为以太网，100Base-TX为快速以太网，两者信号的速度，践诺的左券以及采选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，然后通过蹂躏变压器送入5类双绞线电缆概况比5类双绞线电缆更好地电缆廓清中传输。关于10Base-T信号则需进行曼切斯特（Manchester）编译码和相干的处理。对100Base-TX信号和10Base-T信号处理的功能相比如表1所示。

表1 100Base-TX和10Base-T信号处理功能的相比

信号

称号

速度

左券

传输介质

信号主要处理历程

10Base-T

以太网信号亚星炸金花

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

这里究诘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

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编码的策动等于将数据包的肇始符、帧收尾、空载与戒指功能等标记齐编成码组进行传输。将4B码的nib映射入5B码字的历程是按IEEE 802.3标准范例进行的。

每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit)示意帧前序（Frame Preamble）。PCS将前二个奈培用数据流肇始标帜符/J/K/代替，并在帧收尾时加入数据流收尾标帜符/T/R/，用于示意包的收尾(ESD: End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器相似在包之间填充闭幕空信号（Idle Period）。用闭幕空（Idle）标记杀青数据流的一语气性。表2即是4B/5B编码表，编码后的标记送入后头的扰码器。

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组合用于示意原16捉nib(4bit)的组合；另16种5bit组合，IEEE标准界说了6种用于戒指使用的组合，还有10种觉得积恶的组合。IEEE界说的6种戒指码组是：

（1）/H/示意一个发送流毒；

（2）/I/示意一个IDLE空载；

（3）两个码组示意数据流肇始标记符（SSD）；

（4）/J/和/K/；

（5）两个码组示意数据流收尾标帜符（ESD）；

（6） /T/和/R/；

4.2.2 10Mbit/s的PCS发送子层

按ISO/IEC、IEEE标准的条件，10Mbit/s的PCS发送子层采选Manchester编码，即欺诈数据与时钟相“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编码器在数据包收尾后加入一个肇始空脉冲（SOI: Start of Idle Pulse）。在编码历程中包与包之间的闭幕则不进行编码，由链路脉冲填充。Manchester编码历程的时辰关系如图3所示。

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图3 Manchester编码历程的时辰关系图

从MAC/Repeater接口来的4bit的nib流或串行bit流，欺诈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）周期后半周期时取恰恰。

（2）二进制NRZ数据“0”

当码元（bit）周期前半周期时取恰恰；

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；二是不必探究数据本人是“0”已经“1”，增多了数据的跃变沿。但它的污点是编码后的数据率增多了一倍。

PCS子层还可完成碰撞检测，即在数据传输和招揽同期发生时，需按标准范例和凭据责任形态进行处理。在半双工责任形态下，发生碰撞时产生检测信号（COL: Collision Detection Signal），而在全双工责任形态下，不产生COL。

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4.3 PCS招揽子层

4.3.1 PCS招揽子层的功能

PCS招揽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。

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即PCS招揽子层情状机一语气招揽从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。招揽情状机则在招揽和数据情状判断之间进行调度并一语气这个历程，直到发生下述情况之一时为止：

（1）数据流收尾标帜符（ESD，即/T/R/标记）；

（2）有流毒发生；亚星炸金花

（3）过早收尾（空号）。

依据ESD，招揽情状机复返到Idle情状时，ESD并莫得被送入MAC/Repeater接口，因此检测出的流毒将迫使招揽情状机宣告招揽错，并恭候后头标记。若招揽情状机检出“过早收尾信号(Premature end)”，相似也要宣告招揽错，而复返Idle情状。

4.3.2 100Mbit/s的PCS招揽子层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，因此在招揽端必须欺诈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/标记）撤消并用两个4B数据“5”nb(/5/标记)来代替，对ESD帧符（/T/R/标记）也需要被撤消并用两个4B数据“0”nib（/I/标记）代替。

表3 4B/5B标记译码表

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4.3.3 10Mbit/s PCS招揽子层Manchester译码

Manchester译码器将从双绞线对招揽到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载启动脉冲(SOI: Start of Idle)撤消。在发送端，NRZ数据被Manchester编码，即数据和时钟相异或。在招揽端，数据再次和时钟相异或，就不错回应出原始数据。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 招揽系统定时图

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），用这两个戒指信号杀青对MII接口的戒指与惩办。

5、物理介质贯穿子层(PMA)

PMA与PCS及PMD子层贯串，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) 招揽时钟回应(Receive Clock Recovery)；

5.1 PMA发送子层

PMA发送子层(PMA Transmit Sublayer)从PCS子层招揽串行比特流何况将其变换为NRZI步地(10Mbit/s无须)，然后将其送入物理介质相干子层(PMD)。

PMA使用数字锁相环(PLL)合成时候，从时钟标准接口取得需要发送的时钟脉冲，并凭据标准时钟接口的安排，取得不同的发送时钟值。

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示意数据“1”，无跃变示意“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

5.2 PMA招揽子层

PMA招揽子层主要完成底下两个功能：

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

(2)招揽时钟回应(Receive Clock Recovery): 即招揽时钟回应是由PLL完成的，此PLL锁定于从PMD子层招揽条串行数据流上。PLL自动同步于串行数据流并从中提真金不怕火时钟，临了将回适时钟和NRZI译码后的数据流送到PCS子层。

当PMA招揽子层莫得检出任何招揽信号时，PMA欺诈发送时钟行为PLL的参考标准时钟。在100Base-TX信号情况下，回应出25MHz的时钟。而在10Base-T信号频频钟信号则是2.5MHz。

PMA招揽子层的链路监视功能(Link Monitoring Function)不错来监视招揽时钟PLL。若招揽时钟PLL莫得拿获锁定的串行数据流，则产生一个流毒信号。在一般情况下，PMA链路监视功能块是一语气统计与其贯穿的链路情状。若莫得检出招揽信号概况PLL误帧，则宣告招揽通说念流毒。

6、物理介质相干子层(PMD)

这里主要先容100Base-TX速度下的双绞线对物理介质相干天的子层(TP-PMD：Twisted-Pair Physical Media Dependent)。按照ISO/IEC IEEE的标准，100Base-TX TP-PMD具有对数据流扰码、解忧码、三电平、多跃变沿MLT-3编译码功能及对招揽信号进行直流回应和自血压计匀衡。

6.1 数据流的扰码器/解扰器

在频频情况下，数字传输系统的鲁棒性(Robustness)依赖于数字信号源的统计特色。举例，招揽时钟是从招揽数据提真金不怕火得来的，长串“0”和“1”可能引起同步的丢失。为了使定时回应电路处于同步情状，数据信号必须包含饱胀的跃变沿。

IEEE 802.3u左券允许出现一些叠加的数据图形，这些叠加的数据图形在廓清信号的功率频谱密度漫衍中出现能量峰值，其不一语气的频谱重量是无益的，必须将其扼制掉。欺诈扰码(Scrambling)时候延迟这些图形从而扼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地性使得数据信号有均匀功率输出。这么，峰值能量被排除，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)将粗浅的NRZ bit流欺诈键控、模2加的法子产生一个被扰码的数据流。其责任历程是：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，其产生的伪立地序列不错与需要扰码的信号相加，临了取得已扰码的信号（10Mbit/s无须扰码）。

解扰器(Descrambler)的作用是将被扰码的数据进行解扰，回应成原NRZI数据信号。在数据解扰前，应当先杀青解扰器同步，一朝建筑了解扰器同步，在给定的时代内，唯一检出饱胀扰码空载图形“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”，就能保握同步情状。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，而需要再行建筑同步历程。

6.2 100Base-TX MLT-3编码器/译码器

MLT-3廓清编码(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示意“1”，而无跃变沿示意“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相比，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，在疏浚数据率下，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收复NRZI扰码信号。在这里从中提真金不怕火了时钟，并欺诈此时钟进行译码。

6.3 直流回应(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”信号从其正常额定直流值移动或漂移，而不利于招揽机关于噪声的扼制特色，因此需要回应信号原直流重量。

6.4 自适当平衡器(Adaptive Equalizer)

当数据在电缆中传输时，由于色散特色，将会导致信号失真和码间干涉(ISI: Inter Symbol Interference)，因此在招揽机中必需采选措施将进来的失真和码间干涉信号回应成原信号。失确切产生依赖于信号的频谱和介质环路的长度。由于在多量情况下，双绞线对(TP)端口的特色是未知的，何况每个端口条件平衡的特色也不疏浚，因此，在TP-PMD标准中，忽视了使用自适当平衡器恢收复信号的条件，以保证对招揽信号进行适当的赔偿。自动平衡的法子之一是监视招揽信号的能量，用以详情传输介质的长度，并据此颐养平衡器的性能。因为，招揽信号的幅度与传输的缆长是成正比的，是以若信号电平裁减，则会增多平衡的总量，而便于赔偿信号在廓清中的亏本。

6.5 双绞线对放射机

一般的双绞线对放射机(Twittered-Pair Transmitter)编码器、波形发生器以及传输介质廓清驱动器所构成。波形发生器接收MLT-3编码波形，并使用一个电流源交换阵列来戒指输出信号飞腾/着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恐慌高频重量，需通过一个低通滤波器，使发送的输出波形恬逸关系脉冲样板的标准。电流驱动型差动驱动器将平滑后适应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蹂躏变压器。

6.6 双绞线对接射机

一般双绞线对招揽机被制作成通用模块，通过一个蹂躏变压器与传输介质贯穿。从双绞线对(TP)输入的信号当先插手自适当平衡器，在这里关于缆的低通特色进行赔偿，接着插手“基线漂移修订电路”回应由变压器隔去的波形直流重量。相比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译码器招揽从相比器来的三电平MLT-3信号何况将其变换为旧例数字数据，用往来适时钟和数据。其全历程如图7 所示。

6.7 自动极性修订与蹂躏变压器

一般的100Base-TX莫得极性问题，可是自动协商(FLP)关于极性是相比机灵的。自动极性修订(Auto Polarity Correction)功能主如果应用于10Base-T责任神情，频频欺诈范例链路脉冲(NLP: Normal Link Pulses)磨砺信号极性，从而修订反向的信号极性。

ISO/IEC8802-3、IEEE802.3标准条件要通过蹂躏变压器(Isolation Transformer)与电缆传输介质贯穿。而典型的磁性器件模块包含两个蹂躏变压器，一个用于双绞线对放射机，另一个用于招揽机。通过这两个蹂躏变压器与传输介质物理蹂躏和交流耦合。

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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)频频有以下功能：

（1）详情在链路段介质或电缆贯穿的另一端开荒所具有的才气；

（2）晓示远端链路开荒中上述才气；

（3）与链路远端开荒交换彼此表征时候才气的数据参数，何况与远端链路开荒建筑左券，自动选拔共有的最高性能责任形态。包括责任速度(10/100/1000Mbit/s)、传输介质和半/全双工形态。

自动协商功能是在建筑链路两头开荒中选拔共有的最高性能责任的形态，其算法和链路好意思满性算法的区别在于：标准链路好意思满性算法仅用于建筑战争远端开荒的行径链路，而自动协商算执法是在选拔两头共有的最高性能后，还要建筑战争远端开荒的激活链路。

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）开荒选通自动协商功能；

（2）开荒插手链路故障(Fail)情状；

（3）自动协商复位。

在ISO/IEC 8802-3标准的附录28B中，列出了各式时候的优先权法例，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，自动协商践诺的历程要小于500ms，这与对端完成自动协商链路的才气无关。自动协商历程的监视器不错监视自动协商历程和链路是否建筑。

归来

PHY物理层器件应恬逸CSMA/CD以太网ISO/IEC 8802-3的标准条件。前边分歧详备形貌了MII接口、物理编码子层(PCS)、物理介质贯穿子层(PMA)、物理介质相干子层(PMD)以及自动协商(Auto-Negotiation)功能和旨趣。现将各部分功能综合于表4之中，以进行相比。

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惩办端口

4B/5B编译码

（100Mbit/s）;

碰撞检测；

串并调度；

Manchester编译码（10Mbit/s）;

MAC/Repeater接口戒指

链路监测；

载波监测；

NRZI/NRZ编译码（100Mbit/s）;

时钟合成/回应

扰码/解扰（100Mbit/s）;

NRZI/MLT-3编译码（100Mbit/s）;

直流回应；

自动极性修订；

发送/招揽变压器蹂躏

NLP链路好意思满性（主要用于10Mbit/s）;

FLP自动协商

与传输介质贯串

开始：硬件电子工程师

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