EP Basics: Ethernet Einfacheres Ethernet-Design: Ethernet-PHYs auswählen

Redakteur: Kristin Rinortner

Was hat es eigentlich mit den Zahlen, Symbolen und Akronymen im Ethernet-PHY-Jargon auf sich? Welcher PHY ist für welche Anwendung geeignet? Der Artikel erklärt die Grundlagen und gibt Hilfestellungen zur Auswahl.

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Ethernet-PHY: Was ist der Unterschied zwischen einem Automotive-PHY (Physical Layer) und einem Industrie-PHY?
Ethernet-PHY: Was ist der Unterschied zwischen einem Automotive-PHY (Physical Layer) und einem Industrie-PHY?
(Bild: TI)

Handelt es sich um 100BASE-T1, 1000BASE-T, 100BASE-TX, 10BASE-T oder 10BASE-Te? Wer mit dem Ethernet-PHY-Jargon nicht so gut vertraut sind, kann sich angesichts all der verschiedenen Varianten leicht überfordert fühlen.

Was hat es mit all diesen Zahlen, Symbolen und Akronymen auf sich? Was ist ein Media Independent Interface (MII)? Was ist der Unterschied zwischen einem Automotive-PHY (Physical Layer) und einem Industrie-PHY?

Wie wählt man den richtigen PHY für eine IP-Kamera, eine Telematik-Steuer­einheit oder eine speicherprogrammierbare Steuerung aus? Erfüllen alle PHYs die Anforderungen der verschiedenen Feldbusse?

In diesem Artikel geht es um Grundlagen bei Ethernet-PHYs, gedacht als Hilfestellung bei der Auswahl des richtigen PHYs für eine bestimmte Anwendung. Ein Flussdiagramm zur Auswahl des richtigen PHYs am Ende des Artikels gibt dem Anwender eine Handlungsempfehlung für das Suchen und Finden des richtigen PHY-Bausteins.

Was ist eigentlich ein Ethernet-PHY?

Bild 1: Blockschaltbild eines Ethernet-Systems.
Bild 1: Blockschaltbild eines Ethernet-Systems.
(Bild: TI)

Ein normaler Ethernet-PHY ist eigentlich eine ganz einfache Sache: Es handelt sich um einen PHY-Transceiver (Sender und Empfänger), der ein Gerät physisch mit einem anderen verbindet, wie in Bild 1 dargestellt. Diese physische Verbindung kann sowohl per Kupferkabel (z. B. CAT-5-Kabel, wie es als blaues Patchkabel auch im privaten Bereich verwendet wird) als auch per Lichtwellen­leiter erfolgen.

Das ursprüngliche Konzept des Internets war ein Netzwerk, das Daten schnell, zuverlässig und sicher von einer Universität zur anderen übertragen konnte. Hierfür wurde das Ethernet entwickelt. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) machte auf dieser Basis weiter und definierte neue Übertragungsraten, physische Übertragungsmedien (Kabel) und PHY-Funktionen, damit Ethernet über die Vernetzung von Computern hinaus genutzt werden konnte.

Welche Funktionen nimmt ein Ethernet-PHY wahr?

Ein Ethernet-PHY übernimmt in erster Linie zwei Funktionen. Erstens hat ein PHY einen digitalen Part, der direkt an den Media Access Controller (MAC) einer Komponente angeschlossen ist. Bei letzterer kann es sich um ein Field-Programmable Gate Array
(FPGA), einen Mikrocontroller (MCU) oder eine Central Processing Unit (CPU) handeln.

Ein PHY enthält in unterschiedlicher Ausprägung ein Media Independent Interface (MII), einen 4 Bit breiten Datenbus mit je einer Steuerleitung und einer Taktleitung in Sende- und Empfangsrichtung. MIIs gibt es je nach der Übertragungsrate von MAC und PHY in den unterschiedlichsten Arten und mit unterschiedlich vielen Pins. Tabelle 1 gibt eine Übersicht zu den gängigsten MIIs mit einer kurzen Angabe der Vor- und Nachteile, die es bei der Auswahl zu beachten gilt.

Zweitens besitzt ein PHY ein Medium Dependent Interface (MDI), das eine Kom­ponente (auch hier wieder FPGA, MCU oder CPU) über ein physisches Übertragungs­medium mit einer anderen Komponente verbindet. Dies wird allgemein als analoger Bereich eines PHY bezeichnet, weil es sich hier um ein kontinuierliches, zeitlich veränderliches Signal handelt.

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So wählen Sie den richtigen Ethernet-PHY anhand des MDI

Nachdem die Funktionen eines PHY nunmehr bekannt sind, kann der richtige PHY für ein bestimmtes System gefunden werden. Die meisten IC-Hersteller geben für ihre PHYs die folgenden Eigenschaften an:

  • Datenrate (10 MBit/s, 100 MBit/s, 1 GBit/s),
  • Unterstützte Schnittstellen (MII, RMII, GMII, RGMII, SGMII),
  • Unterstützte Medien (BASE-T, BASE-Te, BASE-TX, BASE-T1).

Mit diesen Informationen ausgestattet, können Sie die Liste in Tabelle 1 durcharbeiten, indem Sie die von der finalen Anwendung verlangte Datenrate zugrunde legen. Als nächstes ermitteln Sie, welchen Standard die Applikation in der Regel nutzt.

Tabelle 1: Gängige MIIs, aufgelistet nach Pin-Anzahl und unterstützter Datenrate.
Tabelle 1: Gängige MIIs, aufgelistet nach Pin-Anzahl und unterstützter Datenrate.
(Bild: TI)

Beispielsweise erfährt seit 2015 Auto­motive Ethernet ein starkes Interesse, sodass diese Variante inzwischen von den Halb­leiterherstellern angeboten wird. Aus diesem Grund sind die Medien-Standards ein wichtiges Kriterium, denn BASE-T1 ist etwas völlig anderes als BASE-T.

Auch in der Consumer-Elektronik und in den meisten industriellen Anwendungen werden 10BASE-Te, 100BASE-TX und 1000BASE-T genutzt, da diese Standards von PCs unterstützt werden.

Automotive-Anwendungen: BASE-T1 ist die beste Wahl

Geht es um eine Automotive-Anwendung, ist ein PHY mit Unterstützung für BASE-T1 die am besten geeignete Lösung. Eine Ausnahme bilden hier OBD-Ports (On Board Diagnosis), die generell BASE-T oder BASE-TX-Interfaces verwenden, um den Anschluss an PCs zu ermöglichen.

Tabelle 2: Vergleichstabelle gängiger MDIs.
Tabelle 2: Vergleichstabelle gängiger MDIs.
(Bild: TI)

Tabelle 2 enthält eine Übersicht über gängige Medium Dependent Interfaces (MDI) und die Systeme, in denen man sie üblicherweise vorfindet.

Die meisten kommerziell erhältlichen und industriellen PHY-Transceiver unterstützen mehrere Datenraten. Derartige Sende-Empfänger-Strukturen enthalten einen als „Auto-Negotiation“ bezeichneten Mechanismus, mit dem die PHY-Transceiver Informationen über die von ihnen unterstützten Eigenschaften austauschen können, um eine Verbindung mit der größtmöglichen Datenrate aufzubauen.

Ethernet-PHYs: So setzen Sie Ihr Wissen in die Praxis um

Bild 2: 
Flussdiagramm zur Auswahl von Ethernet-PHYs von TI.
Bild 2: 
Flussdiagramm zur Auswahl von Ethernet-PHYs von TI.
(Bild: TI)

Das Wissen über Ethernet-PHYs können Sie nun in die Praxis umsetzen. Zu diesem Zweck zeigt Bild 2 ein einfaches Fluss­diagramm am Beispiel des TI-Portfolios, mit dem Sie den richtigen Baustein für Ihre Anwendung einfach auswählen können.

Auf der Ethernet-PHY-Übersichtsseite des Unternehmens finden Sie weitere Informationen über die im Flussdiagramm erwähnten Bausteine, wie den latenzarmen Ethernet-PHY DP83826E für Anwendungen mit Unterstützung für Industrie 4.0 oder den 100BASE-T1-Ethernet-PHY DP83TC811S-Q1 für Automotive-Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen.

Akronyme, die im Zusammenhang mit Ethernet gebräuchlich sind, und ihre englische und chinesische Übersetzung gibt es hier.

Erstellt nach Unterlagen von Texas Instruments.

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