Gigabit xMII für 100BASE-T1 – Weshalb sind RGMII und SGMII so wichtig für 100-MBit/s-PHYs?

| Autor / Redakteur: Jim Catt* / Benjamin Kirchbeck

Ein 100BASE-T1-PHY mit RGMII- oder SGMII-Unterstützung erlaubt bei Bedarf die einfache Umstellung auf einen 1000BASE-T1-PHY.
Ein 100BASE-T1-PHY mit RGMII- oder SGMII-Unterstützung erlaubt bei Bedarf die einfache Umstellung auf einen 1000BASE-T1-PHY. (Bild: Clipdealer)

Ethernet empfiehlt sich als flexible Netzwerktechnologie im Kfz. Für die 4G-Verbindungen waren 100BASE-T1-basierte Bord-Netzwerke noch ausreichend, doch der neue Standard 5G verlangt nach mehr. Welche Möglichkeiten haben Systemdesigner und was gilt es zu beachten?

Frühere Bordkommunikations-Technologien für Kraftfahrzeuge erforderten spezielle Verbindungen und teure Kabel. Die Automotive-spezifischen Ergänzungen zur IEEE-Norm 802.3 (100BASE-T1 und 1000BASE-T1) widmeten sich den elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und ermöglichten die Verwendung von ungeschirmtem Twisted-Pair-Kabel, was sowohl die Kosten senkt als auch das Gewicht reduziert.

Allerdings bieten die verbreitet für Fahrassistenzsysteme, Karosserieelektronik und Antriebsstrang-Anwendungen genutzten 100-MBit/s-Netzwerke nicht genügend Bandbreite, um alle genannten Bereiche über ein gemeinsames, der Datenfusion entgegenkommendes Backbone-Netzwerk zu verbinden. Diese Datenfusion kann die Erfahrung für Fahrer und Mitfahrer verbessern und außerdem neue Möglichkeiten zur Optimierung der Performance und der Funktionalität des Fahrzeugs eröffnen. Durch die Einführung des 1000BASE-T1-Standards mit Unterstützung für 1-Gigabit-Ethernet (GbE) sind die Planer von Kfz-Bordnetzwerken jetzt in der Lage, mehrere 100-MBit/s-Ethernet-Bereiche miteinander zu verbinden und Daten durch das gesamte Fahrzeug zu übertragen. Vorangetrieben wird dieser Bedarf an einem schnelleren Backbone durch hochauflösende Sensoren (z. B. Radar oder Lidar), die vermehrte Verwendung hochauflösender Videoquellen wie HD-Kameras, HD-Videoplayer und HD-Displays vor den Front- und Rücksitzen sowie breitbandigere Telematik.

Die Anbindung an 5G-Netzwerke während der Fahrt und im Stillstand wird ebenfalls nach dem Ersatz 100BASE-T1-basierter Bord-Netzwerke, die für 4G-Verbindungen noch ausreichend waren, durch 1000BASE-T1-Netzwerke verlangen, die für den 5G-Betrieb Links bis 1 GBit/s unterstützen. Angesichts des stetigen Trends zu Gigabit-Streams unterstützen Automotive-Prozessoren und Switches mittlerweile Media Independent Interfaces (MII) für 1GbE und mehr, die den MAC-Layer (Media Access Control) in der CPU (Central Processing Unit) oder im Switch mit den PHY-Transceivern (Physical Layer) des Netzwerks verbinden. Die 100-MBit/s-Versionen des MII (15-Pin-MII und 9-Pin Reduced MII [RMII]) werden durch 1-GBit/s-Versionen ergänzt, nämlich Reduced Gigabit MII (RGMII) und Serial Gigabit MII (SGMII). RGMII ist ein 12-Pin-Interface, während das SGMII als 4- oder 6-Pin-Interface operieren kann.

Wenn sowohl 100-MBit/s- als auch 1GbE-Knoten vorkommen, bevorzugen Designer die Entwicklung einheitlicher, wiederverwendbarer Plattformen, die beide Arten von Knoten unterstützen. Wenn es beispielsweise möglich ist, einen 1000BASE-T1-PHY oder einen 100BASE-T1-PHY mit geringfügigen oder gar keinen Modifikationen an denselben RGMII- oder SGMII-Port eines Switches anzuschließen, senkt dies den Zeitaufwand und die Kosten der Entwicklung, während die reduzierte Systemkomplexität gleichzeitig der Zuverlässigkeit zugutekommt.

Ein 100BASE-T1-PHY mit RGMII- oder SGMII-Unterstützung erlaubt bei Bedarf die einfache Umstellung auf einen 1000BASE-T1-PHY. Das mit Low Voltage Differential Signaling (LVDS) arbeitende SGMII bietet den Vorteil, dass mit weniger Signalleitungen die zehnfache Datenbandbreite erreicht wird, sodass sich die Abmessungen der Lösung verringern. Das RGMII arbeitet dagegen noch mit massebezogener Signalisierung, wartet aber ebenfalls mit einer Verzehnfachung der Datenbandbreite auf, obwohl gegenüber RMII nur drei zusätzliche Signalleitungen benötigt werden.

Wenn sowohl 100-MBit/s- als auch 1GbE-Knoten vorkommen, bevorzugen Designer die Entwicklung einheitlicher, wiederverwendbarer Plattformen, die beide Arten von Knoten unterstützen. Wenn es beispielsweise möglich ist, einen 1000BASE-T1-PHY oder einen 100BASE-T1-PHY mit geringfügigen oder gar keinen Modifikationen an denselben RGMII- oder SGMII-Port eines Switches anzuschließen, senkt dies den Zeitaufwand und die Kosten der Entwicklung, während die reduzierte Systemkomplexität gleichzeitig der Zuverlässigkeit zugutekommt.

Ein 100BASE-T1-PHY mit RGMII- oder SGMII-Unterstützung erlaubt bei Bedarf die einfache Umstellung auf einen 1000BASE-T1-PHY. Das mit Low Voltage Differential Signaling (LVDS) arbeitende SGMII bietet den Vorteil, dass mit weniger Signalleitungen die zehnfache Datenbandbreite erreicht wird, sodass sich die Abmessungen der Lösung verringern. Das RGMII arbeitet dagegen noch mit massebezogener Signalisierung, wartet aber ebenfalls mit einer Verzehnfachung der Datenbandbreite auf, obwohl gegenüber RMII nur drei zusätzliche Signalleitungen benötigt werden.

TI bietet mit dem DP83TC811S-Q1 einen IEEE 802.3bw-konformen Ethernet-100BASE-T1-PHY für Automotive-Anwendungen an, mit dem Systemdesigner die angestrebten, einfacher auf 1 GBit/s aufrüstbaren Systeme realisieren können. Der Baustein unterstützt das MII ebenso wie RMII, RGMII und SGMII. Auswählen lassen sich alle diese Interfaces entweder durch äußere Beschaltung oder per Registerprogrammierung. Mit dem DP83TC811S-Q1 wird außerdem die Verifikation und das Debugging von RGMII- und SGMII-Systemen beschleunigt und vereinfacht, da der Baustein hierfür ein umfangreiches Diagnose-Toolkit mitbringt. Dieses Toolkit unterstützt verschiedene BIST-Fähigkeiten (Built-In-Self-Test) wie etwa einen PRBS-Generator/Checker (Pseudo Random Bit Sequence) und konfigurierbare Loopback-Optionen. So ist der PHY beispielsweise für das RGMII- oder SGMII-Loopback konfigurierbar. Hierdurch ist es dem angeschlossenen MAC möglich, Daten an den PHY zu senden, der diese intern an die Empfangsdaten-Pins des RGMII- oder SGMII-Ports weiterleitet, sodass der MAC die Durchgängigkeit verifizieren kann.

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* Jim Catt arbeitet bei Texas Instruments als Systems and Applications Manager im Bereich Ethernet PHY Solutions

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