在嵌入式网络通信领域，传统以太网实现通常依赖专用 MAC/PHY 芯片，如 WIZnet 的 W5500 系列或常见的 ENC28J60。这些硬件方案提供了完整的 TCP/IP 协议栈支持，但受限于固化的硬件架构和相对有限的配置灵活性。Steve Markgraf 开发的 Pico-100BASE-TX 项目突破性地展示了另一种技术路径：在 RP2040 微控制器上完全通过软件方式实现 100Mbps 以太网传输，峰值吞吐量达到 11MB/s，这一成就对嵌入式开发者来说具有重要的技术启发意义。
100BASE-TX 协议栈的技术挑战
与 10BASE-T 的曼彻斯特编码相比，100BASE-TX 的技术复杂度呈指数级增长。10BASE-T 仅需两电平信号和相对简单的曼彻斯特编码，而 100BASE-TX 引入了多重技术栈：MLT-3 多级传输编码、基于 11 位 LFSR 的扰码、4B5B 线码转换，以及 125MHz 符号率要求。这些特性共同构成了实现难点。
MLT-3 编码通过三电平状态机实现数据传输。编码器在 - 1、0、+1 三个电平间顺序循环，当传输比特为 1 时状态机推进到下一电平，传输 0 时保持当前状态。这种设计显著降低了高频辐射并改善了信号质量，但要求精确的时序控制和状态管理。Pico-100BASE-TX 通过 RP2040 的 PIO 侧集功能，在两个 GPIO 上输出 0b01、0b00、0b10 三种组合，对应差分信号的三电平特性。
扰码器采用经典的 x^11 + x^9 + 1 多项式，产生 2047 位周期的伪随机序列。这一长度既保证了足够的随机性，又便于查找表实现。项目使用 2047 项查找表，每项存储 30 位扰码序列，占用约 10KB RAM。这种预计算策略将实时计算转换为内存查找，大幅提升处理效率。
4B5B 线码将 4 位半字节映射为 5 位符号，提供了足够的控制符号和时钟同步能力。项目实现 256 项查找表，每项包含两个 4B5B 符号，实现字节到符号的并行转换。这种设计避免逐位处理的开销，显著提升编码速度。
硬件资源协同优化方案
RP2040 的 PIO 可编程 I/O 模块是实现高带宽数据流的关键。项目充分利用 PIO 的状态机并行处理能力，将以太网帧的不同处理阶段分配到不同的硬件单元。物理层编码（MLT-3）由 PIO 直接执行，利用其纳秒级时序精度确保 125MHz 符号率的稳定输出。
DMA 控制器在整个系统中发挥核心作用。以太网 FCS 校验和 UDP 可选校验和计算完全通过 DMA 的 CRC sniffing 功能实现，无需 CPU 干预。预计算的空闲符号序列通过 DMA 直接注入 PIO，CPU 仅在需要传输实际数据帧时才参与处理。这种设计将 CPU 占用率降至最低，为应用层数据处理留出充足计算资源。
数据路径采用环形缓冲区架构，由 DMA 自动管理数据流动。当应用层向缓冲区写入数据时，DMA 触发器自动激活传输流程，实现真正的零 CPU 开销传输。系统支持连续数据流传输，特别适合 ADC 数据采集、音频流传输等应用场景。
核心算法实现细节
扰码器的 11 位 LFSR 实现体现了精心的优化策略。传统 LFSR 需要逐位移位和异或运算，而查找表方法将整个状态转换过程预计算在内存中。每次状态更新只需要一次内存访问和简单的索引计算，将处理延迟从多个时钟周期降低到单周期。
4B5B 编码器的双符号查找表设计进一步优化了内存带宽利用。字节级编码避免了逐半字节处理的繁琐，每次编码操作即可处理完整字节数据。查找表组织为结构化数组，便于编译器优化和缓存访问。
时序控制方面，项目采用 DMA 和 PIO 的紧密协同。DMA 通道配置为自动循环模式，在 PIO 状态机需要数据时自动提供下一个字节。CPU 主要负责帧起始、结束标志插入以及异常处理，保持最低的实时参与度。
性能优化与安全考量
系统的性能瓶颈主要在于内存带宽和 PIO 时序约束。通过优化查找表布局和内存访问模式，项目实现了接近理论极限的传输效率。实际测试表明，在合理的缓冲区配置下，系统可持续稳定输出 11MB/s 的数据吞吐量。
安全性设计贯穿整个实现过程。项目明确警告避免连接 PoE 设备，建议使用脉冲变压器或至少 47Ω+470Ω 电阻网络进行阻抗匹配。对于采用 LANGuard 保护的主板，电阻或变压器是必需的安全措施。直接 GPIO 连接虽然实验可行，但存在设备损坏风险，仅适用于受控环境下的技术验证。
应用场景与技术启发
项目提供了多个实际应用示例，展示软件实现以太网的实用价值。内部 ADC 数据流示例演示了如何将微控制器片上资源与网络传输结合，实现高带宽数据采集系统。音频数据流应用（PCM1802）证明了该方案在专业音频领域的应用潜力，75kHz 采样率支持 CD 质量的音频传输。
计数器应用程序展示了系统的时间精确性要求。16 位计数器通过 PIO 生成，精确到微秒级别，证明底层时序控制的严谨性。这些应用案例为嵌入式开发者提供了完整的参考实现。
技术发展展望
Pico-100BASE-TX 项目证明了 RP2040 等现代微控制器的强大可编程能力。通过巧妙的硬件软件协同设计，开发者可以在没有专用网络芯片的情况下实现高性能以太网通信。这种技术路径为物联网设备、可穿戴设备和专业数据采集系统提供了新的设计选项。
项目的开源特性为技术社区带来了宝贵的学习资源。对于深入理解以太网协议栈、掌握嵌入式系统设计方法、以及探索新型硬件架构都具有重要价值。随着 RP2350 等更强大平台的普及，软件定义网络通信的技术路径将获得更广泛的应用空间。
这一实现不仅是技术创新的典型案例，更为嵌入式开发者展示了突破传统硬件依赖限制的可能路径。通过充分利用现代 MCU 的硬件资源，软件实现高性能网络通信正成为现实可行的技术选择。
资料来源
- GitHub: steve-m/Pico-100BASE-TX - Bit-banged 100 MBit/s Fast Ethernet transmitter and UDP framer for Raspberry Pi RP2040/RP2350
- IEEE 802.3 以太网标准补充资料