在嵌入式系统领域，网络连接通常是成本和复杂度的平衡艺术。大多数微控制器选择集成现成的以太网 PHY 芯片或使用外部转换模块，但总有一些开发者喜欢突破极限。近期，开发者 Steve Markgraf 的 Pico-100BASE-TX 项目引起广泛关注 —— 他成功在 Raspberry Pi Pico 上通过软件 bit-banging 实现了完整的 100Mbit 以太网传输，这种 "软件定义网络" 的工程方式展现出了令人惊叹的技术深度。
背景：从简单到复杂的以太网演进
理解 100BASE-TX 的 bit-bang 实现难度，需要先对比 10BASE-T 的简单性。10Mbit 以太网使用曼彻斯特编码，仅需两个电压电平，通过 SPI 接口就能轻松实现。但 100Mbit 快速以太网则完全是另一个层次的技术挑战。
100BASE-TX 的核心复杂度源于物理层编码的多层嵌套。当 PCS（物理编码子层）将 4bit 数据编码为 5bit 时，数据流从 100Mbps 增加到 125Mbps。为了降低信号频率和满足 EMI 要求，100BASE-TX 采用了 MLT-3（三电平传输）编码 —— 这意味着发送端需要生成三个不同的电压电平。更复杂的是，为了防止连续相同比特导致频谱集中，还需要对数据流进行扰码处理。
MLT-3：软件定义的三电平传输艺术
实现 MLT-3 编码是整个项目的第一个核心技术挑战。MLT-3 的规则看似简单 —— 当输入为 1 时信号跳转到下一个电平，输入为 0 时保持当前状态 —— 但要在微控制器上精确实现这一编码，需要精细的时序控制。
Pico-100BASE-TX 的解决方案颇具创意：使用双 GPIO 引脚配合 PIO 的 side-set 功能。在任何时刻，两个 GPIO 引脚的状态组合（00、01、10）直接映射到三个不同的输出电平。由于双绞线连接在这两个引脚之间，差分信号就产生了所需的 MLT-3 波形。
这种方式的优势在于完全由软件控制，避免了传统 PHY 芯片的硬件限制。但挑战也显而易见：必须在 125MHz 的符号率下精确控制 GPIO 电平，对时序抖动的要求极其严格。
4B/5B 编码：数据完整性的数学保障
100BASE-TX 标准的 4B/5B 编码层有其深层的技术考量。每 4bit 原始数据编码为 5bit 符号，确保每 5bit 内至少包含 2 个 1、至多 3 个 0。这种约束保证了信号有足够的跳变，便于接收端提取时钟信息。
实现层面的技巧在于查找表优化。项目使用 256 条目的 LUT，每条目包含两个 4B/5B 符号（16bit），使得每个字节的数据仅需一次查表操作即可完成编码。这种内存换算力的权衡在小容量 MCU 上尤为重要。
11 位 LFSR 扰码器：EMI 抑制的密码学实现
扰码器是整个物理层栈中最具密码学色彩的组件。项目采用经典的 11 位线性反馈移位寄存器（LFSR），多项式为 x^11 + x^9 + 1，生成周期为 2047 位的伪随机序列。
工程实现上，预计算 2047 个查找表条目，每条目包含 30bit 的扰码序列，总计约 10KB RAM 占用。这种 "离线计算，在线查表" 的方式避免了实时计算的复杂度，但需要精确的内存管理来支持环形缓冲区的连续流输出。
关键的技术细节在于空闲符号的特殊处理。通过预先生成包含空闲符号的扰码序列，DMA 可以直接将空闲流传输到 PIO，只有在需要发送实际帧时才启动 CPU 处理。
PIO 硬件加速：从理论到现实
RP2040 的 Programmable I/O (PIO) 模块是整个 bit-bang 方案的技术支点。125MHz 的工作频率要求下，纯软件时序控制无法保证稳定输出，PIO 的硬件状态机提供了必要的时序精度。
side-set 功能的使用尤其巧妙 —— 允许在数据传输的同时控制 GPIO 引脚状态，实现 MLT-3 编码的精确时序。这种方式充分利用了 RP2040 的硬件资源，将软件灵活性与硬件性能相结合。
性能边界与工程权衡
实测结果显示系统能够达到约 11MByte/s 的传输速率，接近理论最大值的 88%。这种性能表现虽然无法与专用 PHY 芯片相比，但在微控制器的软件实现领域已经相当出色。
性能瓶颈主要来自三个方面：PIO 的处理能力限制、查找表访问延迟、以及 DMA 传输的协调开销。工程实践中需要在代码密度和执行效率之间寻找平衡点。
安全与兼容性考虑
项目的代码中反复强调了安全警告：绝对不能连接到支持 PoE 的设备。这是因为 bit-bang 实现缺乏标准的电气隔离和保护机制，可能导致设备损坏。
兼容性方面，项目在大部分标准以太网设备上都能正常工作，但某些具有高级保护功能的主板（如 ASUS 的 LANGuard）需要额外的电阻网络或变压器隔离。这种 "工程版兼容性" 体现了软件实现网络的现实局限性。
应用前景与思考
Pico-100BASE-TX 不仅是一个技术展示，更是对嵌入式网络连接可能性边界的有力探索。在物联网设备成本控制日益严格的背景下，这种 "一个 MCU 搞定一切" 的方案具有特定的应用价值。
从更宏观的工程哲学角度看，这个项目展现了软件定义网络（SDN）概念在物理层的极致应用。虽然在性能和可靠性上无法替代专用硬件，但对于教育研究、原型开发或特殊应用场景，具有不可替代的技术价值。
这种创新精神提醒我们：即使在硬件资源受限的环境中，通过对底层协议的深入理解和巧妙工程实现，仍然能够实现看起来 "不可能" 的功能。在快速发展的物联网时代，这种工程能力和创新思维或许比单纯的硬件堆砌更加珍贵。
参考资料：
- Pico-100BASE-TX GitHub 项目 - Steve Markgraf 的完整实现代码和技术文档
- IEEE 802.3-2005 标准文档 - 以太网物理层规范