Die Anwendungsfälle für Single-Pair-Ethernet 10BASE-T1L, darunter Ethernet-APL, werden im Prozess-, Fabrik- und Gebäudeautomatisierungs-Bereich immer zahlreicher, denn es müssen immer mehr Geräte an Ethernet-Netzwerke angebunden werden. Wenn mehr Geräte eine Netzwerk-Anbindung erhalten, lassen sich den übergeordneten Management-Systemen umfangreichere Datenbestände zur Verfügung stellen, was einerseits erhebliche Produktivitätssteigerungen gestattet und andererseits die Betriebskosten und den Energieverbrauch reduziert.

Für den Feld- beziehungsweise Edge-Bereich birgt Ethernet die Perspektive, dass sämtliche Sensoren und Aktoren an ein konvergiertes IT/OT-Netzwerk (Informationstechnologie und operative Technologie) angebunden werden können. Zur Umsetzung dieser Vision gilt es allerdings einige systemtechnische Herausforderungen zu überwinden, da einige der besagten Sensoren hinsichtlich der verfügbaren Leistung und ihres Platzbedarfs eingeschränkt sind. Für Sensor- und Aktor-Anwendungen gibt es ein wachsendes Angebot an Low-Power- und Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern mit großer interner Speicherkapazität. Die Mehrzahl dieser Prozessoren hat jedoch die Gemeinsamkeit, dass sie wegen des fehlenden integrierten Ethernet-MAC kein MII-, RMII- oder RGMII Media Independent (Ethernet) Interface unterstützen.

Ein traditioneller PHY lässt sich an diese Prozessoren somit nicht anschließen.

Was spricht für einen 10BASE-T1L MAC-PHY?

Um immer mehr Low-Power-Bausteine mit einer für große Distanzen geeigneten Ethernet-Verbindung auszustatten, ist ein 10BASE-T1L MAC-PHY nötig. Dieser Baustein stellt die Ethernet-Anbindung des Prozessors per SPI her. Letzterer wird somit entlastet, weil kein integrierter MAC notwendig ist, denn die MAC-Funktionalität ist jetzt direkt in den 10BASE-T1L PHY integriert. Ein 10BASE-T1L MAC-PHY beschert Geräte-Entwicklern also mehr Flexibilität und Auswahl, da eine große Zahl von Ultra-Low-Power-Prozessoren in Frage kommt. Durch eine optimale Partitionierung der Applikation erlaubt ein 10BASE-T1L MAC-PHY die Realisierung stromsparender Feldgeräte für eigensichere Zone-0-Anwendungen. Hier kommt das zum Zug, was in der Prozessindustrie als Ethernet-APL bezeichnet wird. In intelligenten Gebäude-Anwendungen erlaubt ein MAC-PHY die Anbindung einer größeren Zahl stromsparender Geräte an ein Ethernet-Netzwerk.

Erweiterte Paketfilterung

Bild 1. Ein 10BASE-T1L MAC-PHY bewirkt eine entscheidende Verringerung des Stromverbrauchs und der Komplexität von Geräten mit erweiterter Paketfilterung.

© Analog Devices

Die Integration der MAC-Funktionalität in einen 10BASE-T1L PHY stellt neue Features zur Verfügung, mit denen sich der Ethernet-Traffic im Netzwerk optimieren lässt. Ein 10BASE-T1L MAC-PHY mit erweiterter Paketfilterung reduziert ganz erheblich den durch die Abwicklung des Broadcast- und Multicast-Traffics entstehenden Aufwand. Entscheidend ist das Filtern nach der Ziel-MAC-Adresse. Anstatt nach nur einer MAC-Adresse zu filtern, unterstützt ein MAC-PHY das Filtern unter Verwendung von bis zu 16 Unicast- oder Multicast-MAC-Adressen. Des Weiteren ist eine Adressmaskierung für zwei MAC-Adressen möglich. Das Filtern nach der Geräte-Adresse sowie nach allgemein unterstützten Multicast-Adressen wie etwa LLDP (Link Layer Discovery Protocol) ergibt ein hohes Maß an Freiheit. Durch die Unterstützung eines zusätzlichen Pfads für höhere Prioritäten besteht die Möglichkeit, einige Nachrichten zu priorisieren, um auf diese Weise eine Verbesserung der Latenz und Betriebssicherheit zu erzielen. Die Priorität eines Frames lässt sich anhand der MAC-Filtertabelle identifizieren. Zum Beispiel können Broadcast-Nachrichten einer Warteschlange niedriger Priorität zugeführt werden, während Unicast-Nachrichten an die mit höherer Priorität gehen. Auf diese Weise vermeidet man eine Überlastung des Empfängers durch einen Broadcast Storm oder eine kurzzeitige Traffic-Spitze. Diese Filterfunktionen des MAC-PHY ermöglichen die Realisierung von Geräten, die hinsichtlich der Netzwerklast robust sind. Der MAC sammelt außerdem Frame-Statistiken, um bei der Überwachung des Netzwerk-Verkehrs und der Verbindungsqualität zu helfen (siehe Bild 1).

Der MAC im MAC-PHY unterstützt außerdem IEEE 1588 und damit auch die Zeitsynchronisation gemäß 802.1AS, wie es in der Prozessautomatisierung erforderlich ist. Vom MAC-PHY unterstützt werden auch ein synchronisierter Zähler, das Timestamping empfangener Nachrichten und die Timestamp-Erfassung für zu sendende Nachrichten. Dies verringert die Komplexität des Software-Designs entscheidend, da über den MAC-PHY hinaus kein Hardware-Support mehr erforderlich ist, um die Zeitsynchronisation zu implementieren. Der MAC kann ein auf den synchronisierten Zähler abgestimmtes Ausgangssignal generieren, was zur Synchronisation externer Abläufe auf der Anwendungs-Ebene genutzt werden kann. Das SPI-Interface unterstützt das Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY Serial Interface. Das Open Alliance SPI ist ein neues, höchst effektives SPI-Protokoll, das eigens für die Verwendung mit einem MAC-PHY entwickelt wurde.

10BASE-T1L MAC-PHY oder 10BASE-T1L PHY?

Ein 10BASE-T1L PHY und ein 10BASE-T1L MAC-PHY bieten in unterschiedlichen Anwendungsfällen signifikante Vorzüge. Wenn es auf den Stromverbrauch ankommt, ermöglicht ein 10BASE-T1L MAC-PHY die Senkung der System-Leistungsaufnahme, da er eine flexiblere Auswahl des Host-Prozessors erlaubt, denn damit kommen auch Ultra-Low-Power-Prozessoren ohne integrierten MAC in Betracht. Soll die Ethernet-Anbindung an einem bestehenden Gerät nachgerüstet werden, bietet ein 10BASE-T1L MAC-PHY die Möglichkeit zur Weiterverwendung des vorhandenen Prozessors, indem die Ethernet-Anbindung über den SPI-Port realisiert wird. Der Umstieg auf einen leistungsstärkeren Prozessor mit integriertem MAC ist dann nicht notwendig.