物理层器件PHY(Physical Layer Interface Devices)是将各网元流畅到物理介质上的关键部件。认真完成互连参考模子(OSI)第1层中的功能iba龙虎斗，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理流畅所需的机械、电气、光电调遣和规程技巧。其功能包括汲引、宝贵和撤消物理电路，已毕物理层比特bit流的透明传输等。往往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芯片是怎么已毕这些功能的。

1、物理层(PHY)的结构

为了更好的敷陈以太网物理层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，却是通盘盛开系统的基础。物理层为开采之间的数据通讯提供传输媒体及互连开采，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、物理介质流畅子层、物理介质相关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）和物理介质相关层接口（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相接，以太网物理层PHY芯片已毕的功能即是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芯片的种类粘稠，芯片撑握的物理层模范尺度亦然多种种种，数据单板上使用PHY芯片是BROADCOM公司的BCM5248和MARVELL公司的88E1111，BCM5248撑握的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX模范尺度，88E1111撑握10Base-T、100Base-TX和1000Base-T模范尺度。

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这里主要先容了常用的10Base-T、100Base-TX和100Base-FX尺度下PHY芯片主要完成的功能，如图2所示。在10Base-T的尺度下，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过Manchester编码，然后经过串并调遣，调遣后的串行码流经过NRZ编码，终末经过DAC调遣后送到5类双绞线上去进行传输，收受数据历程相背。

（1）在100Base-TX的尺度下，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过4B/5B编码，然后经过串并调遣，调遣后的串行码流经过NRZI编码，NRZI编码后的数据还需要经过扰码和MLT-3编码，终末经过DAC调遣后送到5类双绞线概况更高的电缆上去进行传输，收受数据历程相背。

（2）在10Base-T的尺度，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过串并调遣，调遣后的串行码流经过NRZ编码，再经过Manchester编码，终末经过DAC调遣后送到5类双绞线上去进行传输，收受数据历程相背。

（3）在100Base-FX的尺度下，发送数据的历程为由MAC层的数据当先经过4B/5B编码，然后经过串并调遣，调遣后的串行码流经过NRZI编码，径直送到光纤上进行传输，收受数据历程相背。底下将详备请问各个子层和接口的功能。

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

3、物理介质无关层接口(MII)

MII知足ISO/IEC8802-3和IEEE802.3尺度的条目，撑握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）和与站贬责实体（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范围接口。在介质情状范围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器件之间交换相关范围、情状和竖立方面的信息。为此，ISO/IEC、IEEE模范了这个双线串行贬责接口的相关条约及贬责信息帧的结构和贬责寄存器的尺度。

(1) 贬责寄存器

按尺度，贬责寄存器集（Management Register set）包括强制性“基本范围”寄存器（Mandatory “Basic Control” Registers）、情状寄存器（Status Registers）和专用推广寄存器ICS（Specific Extended Registers）几部分。

(2) 贬责信号帧结构

贬责接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的竖立、范围和情状数据，哄骗界说的寄存器集来已毕PHY和STA的数据交换。STA不错启动通盘的处理功能。ISO/IEC、IEEE对串行贬责数据流界说了相关贬责帧结构和条约。

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)

台军“教准部新训中心”证实此事并指出，杨员疑涉“违反部属职责罪”，“教准部”已其士移送“宪兵队”侦办，并通知家属知悉。续按“刑惩并行”原则，依规定核予适惩，以正纲纪。

（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，践诺责任历程中遭受某种接口查阅相关文档即可。接口详备而已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，二是与物理介质流畅子层(PMA: Physical Medium Attachment Sublayer)的接口。PCS子层辞退ISO/IEC8802.3和IEEE802.3尺度，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、贬责和范围等。这里可用100Base-TX速度来参议PCS子层要完成的功能。

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4.1 PCS在100Mbit/s与10Mbit/s 下的责任格式

一般称10Base-T为以太网，100Base-TX为快速以太网，两者信号的速度，推行的条约以及领受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，然后通过阻塞变压器送入5类双绞线电缆概况比5类双绞线电缆更好地电缆披露中传输。关于10Base-T信号则需进行曼切斯特（Manchester）编译码和相关的处理。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

条约

传输介质

信号主要处理历程

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

这里参议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编码的标的即是将数据包的肇始符、帧驱散、空载与范围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尺度模范进行的。

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，并在帧驱散时加入数据流驱散标帜符/T/R/，用于示意包的驱散(ESD: End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器雷同在包之间填充断绝空信号（Idle Period）。用断绝空（Idle）标记已毕数据流的一语气性。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尺度界说了6种用于范围使用的组合，还有10种合计犯警的组合。IEEE界说的6种范围码组是：

（1）/H/示意一个发送邪恶；

（2）/I/示意一个IDLE空载；

（3）两个码组示意数据流肇始符号符（SSD）；

（4）/J/和/K/；

（5）两个码组示意数据流驱散标帜符（ESD）；

（6） /T/和/R/；

4.2.2 10Mbit/s的PCS发送子层

按ISO/IEC、IEEE尺度的条目，10Mbit/s的PCS发送子层领受Manchester编码，即哄骗数据与时钟相“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编码器在数据包驱散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断绝则不进行编码，由链路脉冲填充。Manchester编码历程的时分关系如图3所示。

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图3 Manchester编码历程的时分关系图

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

（2）二进制NRZ数据“0”

当码元（bit）周期前半周期时取刚巧；

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；二是不必探究数据自己是“0”仍是“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，即在数据传输和收受同期发生时，需按尺度模范和凭证责任格式进行处理。在半双工责任格式下，发生碰撞时产生检测信号（COL: Collision Detection Signal），而在全双工责任格式下，不产生COL。

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4.3 PCS收受子层

4.3.1 PCS收受子层的功能

PCS收受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收受子层情状机一语气收受从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。收受情状机则在收受和数据情状判断之间进行调遣并一语气这个历程，直到发生下述情况之一时为止：

（1）数据流驱散标帜符（ESD，即/T/R/标记）；

（2）有邪恶发生；

（3）过早驱散（空号）。

依据ESD，收受情状机复返到Idle情状时，ESD并莫得被送入MAC/Repeater接口，因此检测出的邪恶将迫使收受情状机宣告收受错，并恭候后头标记。若收受情状机检出“过早驱散信号(Premature end)”，雷同也要宣告收受错，而复返Idle情状。

4.3.2 100Mbit/s的PCS收受子层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，因此在收受端必须哄骗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收受子层Manchester译码

Manchester译码器将从双绞线对收受到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载初始脉冲(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。在收受端，数据再次和时钟相异或，就不错回话出原始数据。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 收受系统定时图

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），用这两个范围信号已毕对MII接口的范围与贬责。

5、物理介质流畅子层(PMA)

PMA与PCS及PMD子层相接，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) 收受时钟回话(Receive Clock Recovery)；

5.1 PMA发送子层

PMA发送子层(PMA Transmit Sublayer)从PCS子层收受串行比特流况且将其变换为NRZI局势(10Mbit/s毋庸)，然后将其送入物理介质相关子层(PMD)。

PMA使用数字锁相环(PLL)合成技能，从时钟尺度接口得回需要发送的时钟脉冲，并凭证尺度时钟接口的安排，得回不同的发送时钟值。

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收受子层

PMA收受子层主要完成底下两个功能：

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

(2)收受时钟回话(Receive Clock Recovery): 即收受时钟回话是由PLL完成的，此PLL锁定于从PMD子层收受条串行数据流上。PLL自动同步于串行数据流并从中索求时钟，终末将回话时钟和NRZI译码后的数据流送到PCS子层。

当PMA收受子层莫得检出任何收受信号时，PMA哄骗发送时钟行动PLL的参考尺度时钟。在100Base-TX信号情况下，回话出25MHz的时钟。而在10Base-T信号连续钟信号则是2.5MHz。

PMA收受子层的链路监视功能(Link Monitoring Function)不错来监视收受时钟PLL。若收受时钟PLL莫得拿获锁定的串行数据流，则产生一个邪恶信号。在一般情况下，PMA链路监视功能块是一语气统计与其流畅的链路情状。若莫得检出收受信号概况PLL误帧，则宣告收受通谈邪恶。

6、物理介质相关子层(PMD)

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

6.1 数据流的扰码器/解扰器

在往往情况下，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，收受时钟是从收受数据索求得来的，长串“0”和“1”可能引起同步的丢失。为了使定时回话电路处于同步情状，数据信号必须包含实足的跃变沿。

IEEE 802.3u条约允许出现一些重迭的数据图形，这些重迭的数据图形在披露信号的功率频谱密度漫步中出现能量峰值，其不一语气的频谱重量是无益的，必须将其羁系掉。哄骗扰码(Scrambling)技能推广这些图形从而羁系掉这些不一语气峰值重量达20dB~25dB。这是因为在一定周期时安分信号数据的立时性使得数据信号有均匀功率输出。这么，峰值能量被放置，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)将等闲的NRZ bit流哄骗键控、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，其产生的伪立时序列不错与需要扰码的信号相加，终末得回已扰码的信号（10Mbit/s毋庸扰码）。

解扰器(Descrambler)的作用是将被扰码的数据进行解扰，回话成原NRZI数据信号。在数据解扰前，应当先已毕解扰器同步，一朝汲引了解扰器同步，在给定的时间内，只有检出实足扰码空载图形“1”的个数，即在1ms时安分至少应检出25个一语气解扰空信号“1”，就能保握同步情状。若在1ms时安分莫得检出25个一语气解扰空信号“1”，则解扰将失步，而需要重新汲引同步历程。

6.2 100Base-TX MLT-3编码器/译码器

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MLT-3披露编码(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编码可使高每每谱能量移向低于30MHz的旯旮区。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，在交流数据率下，不条目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回话NRZI扰码信号。在这里从中索求了时钟，并哄骗此时钟进行译码。

6.3 直流回话(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”信号从其平方额定直流值出动或漂移，而不利于收受机关于噪声的羁系特色，因此需要回话信号原直流重量。

6.4 自妥当平衡器(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侵犯(ISI: Inter Symbol Interference)，因此在收受机中必需选定法式将进来的失真和码间侵犯信号回话成原信号。失确切产生依赖于信号的频谱和介质环路的长度。由于在大齐情况下，双绞线对(TP)端口的特色是未知的，况且每个端口条目平衡的特色也不交流，因此，在TP-PMD尺度中，提议了使用自妥当平衡器恢回话信号的条目，以保证对收受信号进行恰当的抵偿。自动平衡的法子之一是监视收受信号的能量，用以笃定传输介质的长度，并据此养息平衡器的性能。因为，收受信号的幅度与传输的缆长是成正比的，是以若信号电平裁汰，则会增多平衡的总量，而便于抵偿信号在披露中的亏欠。

6.5 双绞线对辐照机

一般的双绞线对辐照机(Twittered-Pair Transmitter)编码器、波形发生器以及传输介质披露驱动器所构成。波形发生器收受MLT-3编码波形，并使用一个电流源交换阵列来范围输出信号高潮/着落沿的时分和信号的幅度电平。为了平滑此电流型信号输出和惊骇高频重量，需通过一个低通滤波器，使发送的输出波形知足相关脉冲样板的尺度。电流驱动型差动驱动器将平滑后相宜条目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。终末与传输介质的接口是一个阻塞变压器。

6.6 双绞线对接射机

一般双绞线对收受机被制作成通用模块，通过一个阻塞变压器与传输介质流畅。从双绞线对(TP)输入的信号当先插足自妥当平衡器，在这里关于缆的低通特色进行抵偿，接着插足“基线漂移矫正电路”回话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译码器收受从比拟器来的三电平MLT-3信号况且将其变换为成例数字数据，用往来话时钟和数据。其全历程如图7 所示。

6.7 自动极性矫正与阻塞变压器

一般的100Base-TX莫得极性问题，然则自动协商(FLP)关于极性是比拟智谋的。自动极性矫正(Auto Polarity Correction)功能主若是应用于10Base-T责任神色，往往哄骗模范链路脉冲(NLP: Normal Link Pulses)试验信号极性，从而矫正反向的信号极性。

ISO/IEC8802-3、IEEE802.3尺度条目要通过阻塞变压器(Isolation Transformer)与电缆传输介质流畅。而典型的磁性器件模块包含两个阻塞变压器，一个用于双绞线对辐照机，另一个用于收受机。通过这两个阻塞变压器与传输介质物理阻塞和交流耦合。

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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)往往有以下功能：

（1）笃定在链路段介质或电缆流畅的另一端开采所具有的智力；

（2）告示远端链路开采中上述智力；

（3）与链路远端开采交换互相表征技能智力的数据参数，况且与远端链路开采汲引条约，自动选定共有的最高性能责任格式。包括责任速度(10/100/1000Mbit/s)、传输介质和半/全双工格式。

自动协商功能是在汲引链路两头开采中选定共有的最高性能责任的格式，其算法和链路好意思满性算法的区别在于：尺度链路好意思满性算法仅用于汲引构兵远端开采的活动链路，而自动协商算法例是在选定两头共有的最高性能后，还要汲引构兵远端开采的激活链路。

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）开采选通自动协商功能；

（2）开采插足链路故障(Fail)情状；

（3）自动协商复位。

在ISO/IEC 8802-3尺度的附录28B中，列出了各式技能的优先权规章，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，自动协商推行的历程要小于500ms，这与对端完成自动协商链路的智力无关。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汲引。

精采

PHY物理层器件应知足CSMA/CD以太网ISO/IEC 8802-3的尺度条目。前边区分详备容貌了MII接口、物理编码子层(PCS)、物理介质流畅子层(PMA)、物理介质相关子层(PMD)以及自动协商(Auto-Negotiation)功能和旨趣。现将各部分功能轮廓于表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贬责端口

4B/5B编译码

（100Mbit/s）;

碰撞检测；

串并调遣；

Manchester编译码（10Mbit/s）;

MAC/Repeater接口范围

链路监测；

载波监测；

NRZI/NRZ编译码（100Mbit/s）;

时钟合成/回话

扰码/解扰（100Mbit/s）;

NRZI/MLT-3编译码（100Mbit/s）;

直流回话；

自动极性矫正；

发送/收受变压器阻塞

NLP链路好意思满性（主要用于10Mbit/s）;

FLP自动协商

与传输介质相接

起首：硬件电子工程师

温馨辅导：iba龙虎斗