DE102019213322A1 - Ethernet physical layer transceiver for two-wire bus topology - Google Patents
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Abstract
Ein zum Übertragen und Empfangen von Ethernet-Datenframes über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus (102) eingerichteter Physical Layer Transceiver (100) umfasst eine Treiberschaltung (104) die dazu eingerichtet ist, jede der zwei Leitungen des Zweidraht-Busses (102) zur Übertragung von Daten aktiv in einen ersten von mindestens zwei elektrischen Zuständen zu versetzen, wobei die mindestens zwei elektrischen Zustände Signale repräsentieren, mittels derer die Daten kodiert sind. Der Physical Layer Transceiver umfasst außerdem eine Empfängerschaltung (106) die dazu eingerichtet ist, an den beiden Leitungen des Zweidraht-Busses (102) anliegende elektrische Zustände abzutasten und daraus Signale abzuleiten, welche empfangene Daten kodieren. Ferner umfasst der Physical Layer Transceiver eine Logikschaltung (108), welche dazu eingerichtet ist, eine an der Priorität einer zu sendenden Nachricht orientierte Arbitrierung eines aktiven Buszugriffs durchzuführen. Die Logikschaltung (108) ist dazu eingerichtet, die Treiberschaltung (104) und die Empfängerschaltung (106) zur Durchführung der Arbitrierung bei einer ersten Datenrate anzusteuern, welche die Auflösung von Kollisionen von Signalen zweier zeitglich sendender Netzwerkgeräte zulässt. Die Logikschaltung (108) ist ferner dazu eingerichtet, die Treiberschaltung (104) zur Übertragung eines zu sendenden Ethernet-Datenframes mit der ersten Datenrate oder einer zweiten Datenrate anzusteuern, welche größer ist als die erste Datenrate, wenn das Ergebnis der Arbitrierung eine Übertragung zulässt.A physical layer transceiver (100) set up to transmit and receive Ethernet data frames via a two-wire bus (102) shared by several network devices comprises a driver circuit (104) which is set up to connect each of the two lines of the two-wire bus (102 ) actively to transfer data to a first of at least two electrical states, the at least two electrical states representing signals by means of which the data are encoded. The physical layer transceiver also includes a receiver circuit (106) which is set up to sense electrical states present on the two lines of the two-wire bus (102) and to derive signals therefrom which encode received data. Furthermore, the physical layer transceiver comprises a logic circuit (108) which is set up to carry out an arbitration of an active bus access based on the priority of a message to be sent. The logic circuit (108) is set up to control the driver circuit (104) and the receiver circuit (106) to carry out the arbitration at a first data rate which allows the resolution of collisions between signals from two network devices that are transmitting at the same time. The logic circuit (108) is also set up to control the driver circuit (104) to transmit an Ethernet data frame to be sent at the first data rate or a second data rate which is greater than the first data rate if the result of the arbitration permits transmission.
Description
FELDFIELD
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Physical Layer Transceiver für digitale Netzwerke, welcher Daten in Ethernet-Paketen gemäß dem IEEE Standard 802.3 überträgt, insbesondere auf einen Physical Layer Transceiver für solche Netzwerke, bei denen mehrere Netzwerkgeräte nach dem Multi-Master-Prinzip direkt an einen gemeinsam genutzten Datenbus angeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Netzwerkgerät mit einem erfindungsgemäßen Physical Layer Transceiver, ein Ansteuerverfahren des Netzwerkgerätes zur Übertragung von Daten, und ein Fahrzeug mit einem oder mehreren solcher Netzwerkgeräte.The present invention relates to a physical layer transceiver for digital networks, which transmits data in Ethernet packets according to the IEEE standard 802.3, in particular to a physical layer transceiver for networks in which several network devices are directly connected to the multi-master principle a shared data bus are connected. The present invention also relates to a network device with a physical layer transceiver according to the invention, a control method of the network device for the transmission of data, and a vehicle with one or more such network devices.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Digital vernetzte Geräte werden heute in immer mehr Anwendungsbereichen eingesetzt, bspw. um bekannte Funktionen mit weniger Aufwand als zuvor anbieten zu können oder um neue, erst durch das Zusammenspiel mehrerer Geräte mögliche Funktionen bereitzustellen. Die Vernetzung erfolgt dabei häufig nach unterschiedlichen Standards unter Verwendung unterschiedlicher Übertragungsprotokolle und Hardware.Digitally networked devices are used today in more and more application areas, for example to be able to offer known functions with less effort than before or to provide new functions that are only possible through the interaction of several devices. The networking often takes place according to different standards using different transmission protocols and hardware.
Unter anderem in Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeugen werden bereits seit längerer Zeit miteinander kommunikativ vernetzte digitale Steuer- und Kontrolleinheiten genutzt, was unter anderem zu einer erheblichen Reduzierung der Zahl von zuvor zur direkten Verbindung einzelner Geräte untereinander genutzter Leitungen geführt hat, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden konnten. Dabei werden in einer Vielzahl von heutigen Systemen digitale Kommunikationsschnittstellen nach den unterschiedlichsten Standards genutzt, welche sich über die Zeit für bestimmte Steuer- und Kontrolleinheiten als für den jeweiligen Zweck ausreichend und zuverlässig herausgestellt haben. Eine Vernetzung von Komponenten nach dem CAN-Bus-Standard, der die physische Schicht und die Datensicherungsschicht des OSI-Schichtenmodells festlegt, ist kostengünstig und im Automotive-Bereich weit verbreitet. Ebenfalls kostengünstig und im Automotive-Bereich verbreitet ist die Vernetzung nach dem Local Interconnect Network Standard (LIN oder LIN-Bus), der allerdings weniger vielseitig ist als der CAN-Bus, und der nur eine geringere Datenrate ermöglicht. Eine Vernetzung nach dem FlexRay-Standard wird insbesondere dann genutzt, wenn eine höhere Datenübertragungsrate, Echtzeit-Fähigkeit und Ausfallsicherheit gefordert sind, z.B. für Drive-by-Wire-Systeme. Im Fokus steht häufig jedoch die höhere Datenrate, welche durch den kontinuierlichen Anstieg von Fahrerassistenzsystemen im Bereich Antrieb und Fahrwerk in Premiumfahrzeugen heute notwendig ist. Wie der CAN-Bus- und der LIN-Bus-Standard definiert FlexRay die physische Schicht und die Datensicherungsschicht im OSI-Schichtenmodell.In land, water and air vehicles, among other things, communicatively networked digital control units have been used for a long time, which has led, among other things, to a significant reduction in the number of lines previously used to directly connect individual devices to one another, which adds weight and costs could be saved. In a large number of today's systems, digital communication interfaces are used according to the most varied of standards, which over time have proven to be sufficient and reliable for certain control units for the respective purpose. Networking of components according to the CAN bus standard, which defines the physical layer and the data security layer of the OSI layer model, is inexpensive and widespread in the automotive sector. Networking according to the Local Interconnect Network Standard (LIN or LIN bus), which is less versatile than the CAN bus and which only allows a lower data rate, is also inexpensive and widespread in the automotive sector. Networking according to the FlexRay standard is used in particular when a higher data transmission rate, real-time capability and reliability are required, e.g. for drive-by-wire systems. However, the focus is often on the higher data rate, which is necessary today due to the continuous increase in driver assistance systems in the drive and chassis area in premium vehicles. Like the CAN bus and LIN bus standards, FlexRay defines the physical layer and the data security layer in the OSI layer model.
Fortschritte bei der Miniaturisierung von Komponenten für digitale Kommunikationsschnittstellen und immer weiter steigende Rechenkapazitäten selbst bei einfachen Mikroprozessoren, der damit einhergehende Wunsch, für jedes System immer mehr Daten aus Sensoren zur Überwachung und Regelung zur Verfügung zu stellen, sowie die Anforderungen an immer mehr zusätzliche Funktionen und Dienste können dazu führen, dass die in einigen Systemen vorgesehenen Netzwerke oder Komponenten an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit gelangen. Wenn eine Komponente eines vernetzten Systems bislang beispielsweise über ein vergleichsweise langsames Netzwerk wie etwa den LIN-BUS vernetzt war, muss eine aufwendige Anpassung erfolgen, damit die Nutzung eines schnelleren Netzwerks möglich ist. Diese Anpassung selbst kann aufwendig und teuer sein, und die schnellere Vernetzung kann die Verwendung teurerer und in kleineren Stückzahlen hergestellten Komponenten erfordern. Außerdem kann eine Änderung der Verkabelung, bspw. bei einem Fahrzeugnetzwerk nötig sein, so dass hier weiterer Aufwand entsteht.Progress in the miniaturization of components for digital communication interfaces and ever increasing computing capacities even with simple microprocessors, the associated desire to provide more and more data from sensors for monitoring and control for each system, as well as the requirements for more and more additional functions and Services can cause the networks or components provided in some systems to reach the limits of their performance. If a component of a networked system was previously networked via a comparatively slow network such as the LIN-BUS, for example, a complex adaptation must be made so that the use of a faster network is possible. This adaptation itself can be laborious and expensive, and the faster networking can require the use of more expensive and manufactured in smaller numbers components. In addition, it may be necessary to change the cabling, for example in the case of a vehicle network, so that further expenditure arises here.
Vor allem aus Kostengründen werden bevorzugt identische oder zumindest auf identischer Hardware aufbauende digitale Steuer- und Kontrolleinheiten in einer Vielzahl unterschiedlicher Systeme benutzt. Gerade bei Geräten, die mittels digitaler Netzwerke miteinander vernetzt sind, und insbesondere bei Geräten die zeitaufwändigen und teuren Zulassungsprozessen unterliegen kann es sinnvoll sein, die Möglichkeit einer einfachen Anpassung an zukünftige Systeme bereits beim Entwurf zu berücksichtigen.Primarily for reasons of cost, it is preferred to use identical or at least based on identical hardware digital control and monitoring units in a large number of different systems. Especially with devices that are networked with one another by means of digital networks, and especially with devices that are subject to time-consuming and expensive approval processes, it can make sense to consider the possibility of simple adaptation to future systems at the design stage.
In dem Spannungsfeld zwischen der Forderung nach besonders leistungsfähigen Kommunikationsschnittstellen einerseits und besonders kostengünstigen Kommunikationsschnittstellen für einfache Systeme andererseits ist die Verwendung von standardisierten Komponenten und insbesondere standardisierter Software zu deren Betrieb eine Möglichkeit, beide Anforderungen mit vertretbarem ökonomischen Aufwand zu erfüllen. Gleichzeitig kann die Verwendung möglichst vieler standardisierter Komponenten den Aufwand für Anpassungen klein halten.In the area of tension between the requirement for particularly powerful communication interfaces on the one hand and particularly cost-effective communication interfaces for simple systems on the other hand, the use of standardized components and, in particular, standardized software for their operation is one way of meeting both requirements with reasonable economic effort. At the same time, the use of as many standardized components as possible can keep the effort for adjustments small.
So haben sich beispielsweise für die digitale Kommunikation zwischen Geräten in vielen Bereichen Schnittstellen nach dem IEEE 802.3 Standard durchgesetzt, welche auch unter dem Namen Ethernet bekannt sind, obwohl keine vollständige Übereinstimmung zwischen dem im IEEE 802.3 Standard und den oft unter dem Namen Ethernet zusammengefassten Spezifikationen besteht. Im Folgenden werden der Name Ethernet und der IEEE Standard 802.3 synonym verwendet.For example, interfaces according to the IEEE 802.3 standard have become established in many areas for digital communication between devices, which are also known under the name Ethernet, although there is no complete correspondence between that in IEEE 802.3 Standard and the specifications often summarized under the name Ethernet. In the following, the name Ethernet and the IEEE Standard 802.3 are used synonymously.
Unter dem Sammelbegriff Ethernet sind Software, Protokolle, usw., und Hardware für kabelgebundene Datennetze spezifiziert, welche ursprünglich für lokale Datennetze gedacht waren. Ethernet ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenframes zwischen den in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten.The collective term Ethernet specifies software, protocols, etc., and hardware for wired data networks, which were originally intended for local data networks. Ethernet enables data exchange in the form of data frames between the devices connected in a local area network (LAN).
Ursprünglichen Versionen des Ethernets nutzten Koaxialkabel für die Übertragung der Daten, spätere Versionen verwendeten zwei oder mehr Paare von verdrillten Doppeladern. Sowohl Koaxialkabel als auch Kabel mit verdrillten Doppeladern erforderten die Verwendung aufwändiger Kabel, Stecker und Buchsen, welche teuer und für raue Umweltbedingungen ungeeignet sind, wie sie insbesondere in allen Arten von Fahrzeugen anzutreffen sind. Die Entwicklung hieran angepasster Stecker und Buchsen wiederum negiert den durch die Verwendung standardisierter Komponenten entstandenen Kostenvorteil. Außerdem bleibt der Nachteil der speziellen Kabel, so dass Ethernet-Verbindungen trotz der vielen Vorteile durch die Verfügbarkeit standardisierter Software- und Hardwarekomponenten häufig nur für Verbindungen in Betracht gezogen werden, die eine hohe Datenrate erfordern. Diese Verbindungen sind überdies in der Regel als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ausgelegt, welche für die Verbindung von mehr als zwei Geräten aktive Komponenten für die Vermittlung benötigen. Diese aktiven Komponenten benötigen selbst Energie für ihren Betrieb und stellen Schwachstellen hinsichtlich der Ausfallsicherheit des gesamten Netzwerks oder größerer Teile davon dar.Original versions of the Ethernet used coaxial cables for the transmission of the data, later versions used two or more pairs of twisted pairs. Both coaxial cables and cables with twisted pairs required the use of complex cables, plugs and sockets, which are expensive and unsuitable for harsh environmental conditions, such as those found in all types of vehicles in particular. The development of plugs and sockets adapted to this, in turn, negates the cost advantage resulting from the use of standardized components. In addition, the disadvantage of the special cables remains, so that, despite the many advantages of the availability of standardized software and hardware components, Ethernet connections are often only considered for connections that require a high data rate. In addition, these connections are usually designed as point-to-point connections, which require active components for switching to connect more than two devices. These active components themselves require energy for their operation and represent weak points with regard to the reliability of the entire network or larger parts of it.
Hiervon ausgehend hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Möglichkeit zu schaffen, Systemkomponenten zur Übertragung von Ethernet-Datenframes mittels eines Zweidraht-Busses zu verbinden, um eines oder mehrere der vorstehend genannten Probleme zu überwinden oder zumindest zu verbessern.Proceeding from this, the present invention has the object of creating a possibility of connecting system components for the transmission of Ethernet data frames by means of a two-wire bus in order to overcome or at least improve one or more of the above-mentioned problems.
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung nach einem ersten Aspekt einen Physical Layer Transceiver zum Übertragen und Empfangen von Ethernet-Datenframes über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus vor, welcher dazu eingerichtet ist, eine an der Priorität einer zu sendenden Nachricht orientierte Arbitrierung eines aktiven Buszugriffs durchzuführen.To solve the problem, the invention proposes, according to a first aspect, a physical layer transceiver for transmitting and receiving Ethernet data frames via a two-wire bus shared by several network devices, which is set up to allow arbitration based on the priority of a message to be sent an active bus access.
Nach einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung ein Netzwerkgerät vor, welches einen Physical Layer Transceiver nach dem ersten Aspekt aufweist und so zur Übertragung von Ethernet-Datenframes über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus eingerichtet ist.According to a second aspect, the invention proposes a network device which has a physical layer transceiver according to the first aspect and is thus set up for the transmission of Ethernet data frames via a two-wire bus shared by several network devices.
Nach einem dritten Aspekt schlägt die Erfindung ein Ansteuerverfahren eines Netzwerkgerätes zur Übertragung von Ethernet-Datenframes über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus vor, insbesondere für eine prioritätsorientierte Arbitrierung für den Sendezugriff auf den Bus.According to a third aspect, the invention proposes a control method of a network device for the transmission of Ethernet data frames over a two-wire bus shared by several network devices, in particular for priority-oriented arbitration for the transmission access to the bus.
Ein Ethernet-Datenframe nach dem IEEE Standard 802.3 beginnt mit einer 6 Byte langen MAC-Addresse des Empfängers einer Nachricht, gefolgt von der ebenfalls 6 Byte langen MAC-Addresse des Senders. Ein Ethernet-Paket enthält einen Ethernet-Datenframe, dem eine 7 Byte lange Präambel und ein 1 Byte langer Start Frame Delimiter (SFD) vorangestellt ist. Die Verwendung der Präambel ermöglicht die Bit-Synchronisation der an ein Netzwerk angeschlossenen Geräte. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine dauerhaft synchronisierten Punkt-zu-Punkt Verbindungen vorliegen. Die Begriffe Ethernet-Datenframe und Ethernet-Paket werden in dieser Beschreibung synonym verwendet, sofern sich aus dem jeweiligen Kontext keine andere Verwendung ergibt.An Ethernet data frame according to the IEEE Standard 802.3 begins with a 6 byte long MAC address of the recipient of a message, followed by the 6 byte long MAC address of the sender. An Ethernet packet contains an Ethernet data frame preceded by a 7-byte preamble and a 1-byte start frame delimiter (SFD). The use of the preamble enables bit synchronization of the devices connected to a network. This is particularly advantageous when there are no permanently synchronized point-to-point connections. The terms Ethernet data frame and Ethernet packet are used synonymously in this description, provided that the respective context does not result in any other use.
Ein zum Übertragen und Empfangen von Ethernet-Datenframes über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus eingerichteter Physical Layer Transceiver gemäß dem ersten Aspekt umfasst eine Treiberschaltung die dazu eingerichtet ist, jede der zwei Leitungen des Zweidraht-Busses zur Übertragung von Daten aktiv in einen ersten von mindestens zwei elektrischen Zuständen zu versetzen, wobei die mindestens zwei elektrischen Zustände Signale repräsentieren, mittels derer die Daten bei der Übertragung kodiert sind. Elektrische Zustände können bspw. elektrische Potentiale sein. Die zwei Leitungen des Zweidraht-Busses sind dabei dazu eingerichtet, einen zweiten der mindestes zwei elektrischen Zustände anzustreben, wenn kein an den Bus angeschlossenes Netzwerkgerät eine der Leitungen des Busses aktiv in einen anderen Zustand versetzt. Dies kann bspw. durch mit den Leitungen verbundene Widerstände erfolgen, welche die Leitungen mit einem elektrischen Potential verbinden.A physical layer transceiver according to the first aspect, which is set up to transmit and receive Ethernet data frames via a two-wire bus shared by several network devices, comprises a driver circuit which is set up to actively transfer each of the two lines of the two-wire bus into one to set the first of at least two electrical states, wherein the at least two electrical states represent signals by means of which the data are encoded during transmission. Electrical states can be electrical potentials, for example. The two lines of the two-wire bus are set up to strive for a second of the at least two electrical states if no network device connected to the bus actively puts one of the lines of the bus into another state. This can be done, for example, by resistors connected to the lines, which connect the lines to an electrical potential.
Der Physical Layer Transceiver gemäß dem ersten Aspekt umfasst ferner eine Empfängerschaltung die dazu eingerichtet ist, an den beiden Leitungen des Zweidraht-Busses anliegende elektrische Zustände abzutasten und daraus Signale abzuleiten, welche empfangene Daten kodieren.The physical layer transceiver according to the first aspect further comprises a receiver circuit which is set up to sample electrical states present on the two lines of the two-wire bus and to derive signals therefrom which encode received data.
Der Physical Layer Transceiver gemäß dem ersten Aspekt umfasst außerdem eine Logikschaltung welche dazu eingerichtet ist, eine an der Priorität einer zu sendenden Nachricht orientierte Arbitrierung eines aktiven Buszugriffs durchzuführen. Die Logikschaltung ist dabei dazu eingerichtet, die Treiberschaltung und die Empfängerschaltung zur Durchführung der Arbitrierung bei einer ersten Datenrate anzusteuern, welche die Auflösung von Kollisionen von Signalen zweier zeitglich sendender Netzwerkgeräte zulässt. Die Logikschaltung ist außerdem dazu eingerichtet, die Treiberschaltung zur Übertragung eines zu sendenden Ethernet-Datenframes mit der ersten Datenrate oder mit einer zweiten Datenrate anzusteuern, welche größer ist als die erste Datenrate, wenn das Ergebnis der Arbitrierung eine Übertragung zulässt. Eine Übertragung ist normalerweise dann zulässig, wenn die Priorität einer eigenen zu sendenden Nachricht höher ist als die Prioritäten der zu sendenden Nachrichten anderer an den gemeinsam genutzten Bus angeschlossener Netzwerkgeräte. Die Logikschaltung kann bspw. eine Finite State Machine umfassen, oder einen Mikroprozessor, der Computerprogramminstruktionen ausführt, welche die Funktion der Logikschaltung implementieren.The physical layer transceiver according to the first aspect also comprises a logic circuit which is set up to carry out an arbitration of an active bus access based on the priority of a message to be sent. The logic circuit is set up to control the driver circuit and the receiver circuit for carrying out the arbitration at a first data rate which allows the resolution of collisions between signals from two network devices that are transmitting at the same time. The logic circuit is also set up to control the driver circuit for the transmission of an Ethernet data frame to be sent at the first data rate or at a second data rate which is greater than the first data rate if the result of the arbitration permits transmission. A transmission is normally permitted if the priority of a separate message to be sent is higher than the priorities of the messages to be sent by other network devices connected to the shared bus. The logic circuit can, for example, comprise a finite state machine, or a microprocessor that executes computer program instructions that implement the function of the logic circuit.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist der Physical Layer Transceiver dazu eingerichtet, eine bitweise Arbitrierung durchzuführen, bei der jeder sendende Physical Layer Transceiver den Bus überwacht, während er selbst gerade einen die Priorität seiner zu sendenden Nachricht enthaltenden Identifikator sendet. Senden zwei oder mehr Physical Layer Transceiver gleichzeitig, so überschreibt das erste dominante Bit eines der Physical Layer Transceiver das entsprechend rezessive Bit des oder der anderen Physical Layer Transceiver, was diese erkennen und daraufhin ihren Übertragungsversuch beenden. Ein Physical Layer Transceiver kann in einen passiven Bus-Überwachungsmodus umschalten, sobald für ihn erkennbar ist, dass er nach der beendeten Arbitrierung nicht senden darf. Ein rezessives Bit ist in dem vorliegenden Fall ein Bit, das durch einen elektrischen Zustand dargestellt wird, in dem eine Leitung nicht aktiv durch die Treiberschaltung eines der an den Bus angeschlossenen Physical Layer Transceivers in einen anderen elektrischen Zustand versetzt wird. Der zu einem rezessiven Bit gehörende Zustand kann bspw. eingestellt werden, indem eine Leitung über einen Widerstand an ein elektrisches Potential angeschlossen wird. Ein zu einem dominanten Bit gehörender Zustand wird dann über aktive Einstellung eines Potentials der Leitung durch die Treiberschaltung erreicht. In den meisten Fällen wird am Ende ein Physical Layer Transceiver übrigbleiben, dessen zu sendende Nachricht eine höhere Priorität hat als die der anderen Physical Layer Transceiver. Sollten einmal zwei oder mehr Physical Layer Transceiver zu sendende Nachrichten mit der gleichen Priorität haben, können zusätzlich andere Verfahren zur Kollisionsauflösung genutzt werden.In one or more refinements, the physical layer transceiver is set up to carry out bit-by-bit arbitration in which each sending physical layer transceiver monitors the bus while it is itself sending an identifier containing the priority of its message to be sent. If two or more physical layer transceivers send at the same time, the first dominant bit of one of the physical layer transceivers overwrites the corresponding recessive bit of the other physical layer transceiver (s), which they recognize and then terminate their attempt to transmit. A physical layer transceiver can switch to a passive bus monitoring mode as soon as it can be seen that it is not allowed to transmit after the arbitration has ended. In the present case, a recessive bit is a bit that is represented by an electrical state in which a line is not actively switched to a different electrical state by the driver circuit of one of the physical layer transceivers connected to the bus. The state belonging to a recessive bit can be set, for example, by connecting a line to an electrical potential via a resistor. A state belonging to a dominant bit is then achieved by actively setting a potential of the line by the driver circuit. In most cases, a physical layer transceiver will be left at the end, whose message to be sent has a higher priority than that of the other physical layer transceivers. Should two or more physical layer transceivers ever have messages to be sent with the same priority, other methods for collision resolution can also be used.
Bei einer Ausgestaltung ist der Physical Layer Transceiver dazu eingerichtet, eine zur Arbitrierung erforderliche Priorität einer zu sendenden Nachricht über eine Steuerschnittstelle zu empfangen. Die Steuerschnittstelle kann bspw. eine Kommunikation mit einem MAC oder einer anderen auf einer höheren Schicht des OSI Schichtenmodells angeordneten Komponente des Netzwerkgeräts bereitstellen. Ein Beispiel für eine solche Steuerschnittstelle ist ein Serial Peripheral Interface (SPI), das bei vielen integrierten digitalen Schaltungen etwa zur Konfiguration oder zum sonstigen Datenaustausch mit anderen Schaltungen vorhanden ist. Alternativ kann der Physical Layer Transceiver eine fest eingestellte Priorität aufweisen, welche für alle zu sendenden Nachrichten gilt.In one embodiment, the physical layer transceiver is set up to receive a priority of a message to be sent, which is required for arbitration, via a control interface. The control interface can, for example, provide communication with a MAC or another component of the network device that is arranged on a higher layer of the OSI layer model. An example of such a control interface is a Serial Peripheral Interface (SPI), which is present in many integrated digital circuits for configuration or other data exchange with other circuits. Alternatively, the physical layer transceiver can have a fixed priority that applies to all messages to be sent.
Bei einer Ausgestaltung ist der Physical Layer Transceiver dazu eingerichtet, eine zur Arbitrierung erforderliche Priorität einer zu sendenden Nachricht aus in einem Header gemäß dem IEEE Standard 802.1Q des Ethernet-Datenframes abzuleiten. Dazu kann der Physical Layer Transceiver einen Pufferspeicher aufweisen, welcher ausreichend dimensioniert ist, um zumindest einen zu sendenden Ethernet-Datenframe zu speichern. Der Physical Layer Transceiver kann dann den gepufferten Ethernet-Datenframe analysieren und die in einem Header gemäß IEEE Standard 802.1Q enthaltene Prioritätsinformation auslesen und für die Arbitrierung nutzen. Sollte der Ethernet-Datenframe keinen solchen Header aufweisen, was an dem Fehlen des für diesen Header reservierten EtherType-Wert 0x8100 im 21. und 22. Byte des Ethernet-Datenframes erkannt werden kann, kann der Physical Layer Transceiver entweder eine niedrigste Priorität für die zu sendende Nachricht annehmen, oder eine für den Physical Layer Transceiver fest eingestellte Priorität.In one embodiment, the physical layer transceiver is set up to derive a priority of a message to be sent, which is required for arbitration, in a header in accordance with the IEEE standard 802.1Q of the Ethernet data frame. For this purpose, the physical layer transceiver can have a buffer memory which is sufficiently dimensioned to store at least one Ethernet data frame to be sent. The physical layer transceiver can then analyze the buffered Ethernet data frame and read out the priority information contained in a header in accordance with IEEE Standard 802.1Q and use it for the arbitration. If the Ethernet data frame does not have such a header, which can be recognized by the lack of the EtherType value 0x8100 reserved for this header in the 21st and 22nd bytes of the Ethernet data frame, the physical layer transceiver can either set a lowest priority for the accept sending message, or a priority set for the physical layer transceiver.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist der Physical Layer Transceiver dazu eingerichtet, Symbole auf dem Zweidraht-Bus mit mehr als zwei Zuständen auf einer oder beiden Leitungen zu kodieren. Dabei kann die Treiberschaltung dazu eingerichtet sein, während der Arbitrierung zu sendende Symbole mit zwei Zuständen auf den Leitungen zu kodieren, und nach der Arbitrierung zum Senden der Nachricht Symbole mit mehr als zwei Zuständen zu kodieren.In one or more refinements, the physical layer transceiver is set up to encode symbols on the two-wire bus with more than two states on one or both lines. In this case, the driver circuit can be set up to encode symbols to be sent during the arbitration with two states on the lines and, after the arbitration, to encode symbols with more than two states in order to send the message.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist der Physical Layer Transceiver dazu eingerichtet, anhand der abgetasteten Zustände auf den Leitungen des Zweidraht-Busses eine momentane Belegung des Busses zu erkennen und eine Arbitrierung zurückzustellen, bis keine Signale auf dem Bus übertragen werden. Dazu kann ein Physical Layer Transceiver bspw. die gesamte Kommunikation auf dem Bus überwachen, und die am Ende eines Ethernet-Datenframes gesendete Blockprüfzeichenfolge mit der selbst errechneten Prüfsumme des Datenframes vergleichen. Das sich an die Blockprüfzeichenfolge anschließende Interpacket Gap, das den minimalen zeitlichen Abstand zwischen zwei gesendeten Paketen auf dem Übertragungsmedium bezeichnet, kann dann für den Beginn einer Arbitrierung genutzt werden. Die minimale Wartezeit zwischen zwei gesendeten Ethernet-Paketen beträgt grundsätzlich 96 Bitzeiten, bei 10 MBit/s entspricht dies 9,6 µs. Alternativ kann eine Arbitrierung zurückgestellt werden, bis eine von einem anderen Netzwerkgerät gesendete Arbitrierungsnachricht erkannt wird.In one or more refinements, the physical layer transceiver is set up to use the scanned states on the lines of the two-wire bus to recognize a current occupancy of the bus and to postpone arbitration until no signals are transmitted on the bus. A physical layer Transceivers, for example, monitor all communication on the bus and compare the block check string sent at the end of an Ethernet data frame with the self-calculated checksum of the data frame. The interpacket gap following the block check character sequence, which designates the minimum time interval between two packets sent on the transmission medium, can then be used to start an arbitration. The minimum waiting time between two sent Ethernet packets is generally 96 bit times, at 10 Mbit / s this corresponds to 9.6 µs. Alternatively, arbitration can be postponed until an arbitration message sent by another network device is detected.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen ist der Physical Layer Transceiver dazu eingerichtet, ein Ergebnis einer Arbitrierung und/oder einer Busüberwachung an die Komponenten der Sicherungsschicht zu signalisieren, wobei im Falle einer Belegung des Busses nach der Arbitrierung durch ein anderes Netzwerkgerät eine zu sendende Nachricht durch eine zu einer höheren Schicht des OSI-Schichtenmodells als der Physical Layer Transceiver gehörenden Komponente bis zu einem erneuten Sendeversuch gespeichert wird oder verworfen wird.In one or more embodiments, the physical layer transceiver is set up to signal a result of an arbitration and / or a bus monitoring to the components of the data link layer, in the case of an occupancy of the bus after the arbitration by another network device, a message to be sent by a component belonging to a higher layer of the OSI layer model than the physical layer transceiver is stored or is discarded until a new transmission attempt is made.
Ein zur Übertragung von Ethernet Datenpaketen über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus eingerichtetes Netzwerkgerät gemäß dem zweiten Aspekt weist einen Mikroprozessor und zugeordneten Speicher auf. Das Netzwerkgerät ist außerdem dazu eingerichtet, Ethernet-Datenframes zu senden und zu empfangen. Das Netzwerkgerät weist dazu einen Logical Link Controller (LLC) und einen Media Access Controller (MAC) auf, welche die Sicherungsebenen-Schicht (Data Link Layer) des OSI-Referenzmodells implementieren. Darüber hinaus weist das Netzwerkgerät einen erfindungsgemäßen Physical Layer Transceiver auf, welcher die physische Ebene des OSI-Referenzmodells implementiert, und welcher wie vorstehend beschrieben zur Arbitrierung, zum Senden und zum Empfangen von Signalen auf einem Zweidraht-Bus eingerichtet ist. Der Physical Layer Transceiver stellt dazu eine angepasste Schnittstelle für den Zweidraht-Bus bereit. Der Physical Layer Transceiver und der Media Access Controller sind über eine medienunabhängige Schnittstelle (MII) kommunikativ miteinander verbunden.A network device set up for the transmission of Ethernet data packets via a two-wire bus shared by several network devices according to the second aspect has a microprocessor and associated memory. The network device is also set up to send and receive Ethernet data frames. For this purpose, the network device has a Logical Link Controller (LLC) and a Media Access Controller (MAC), which implement the data link layer of the OSI reference model. In addition, the network device has a physical layer transceiver according to the invention which implements the physical level of the OSI reference model and which, as described above, is set up for arbitration, for sending and receiving signals on a two-wire bus. The physical layer transceiver provides an adapted interface for the two-wire bus. The physical layer transceiver and the media access controller are communicatively connected to one another via a media-independent interface (MII).
Ein Ansteuerverfahren eines Netzwerkgerätes zur Übertragung von Ethernet-Datenframes über einen von mehreren Netzwerkgeräten gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus umfasst das Senden einer ersten Arbitrierungsnachricht mit einer ersten Datenrate, welche die Auflösung von Kollisionen zweier zeitglich sendender Netzwerkgeräte zulässt, wobei die erste Arbitrierungsnachricht eine Information über eine Priorität einer von dem Netzwerkgerät zu sendenden Nachricht enthält. Während des Sendens der ersten Arbitrierungsnachricht wird außerdem überwacht, ob zeitgleich ein zweites an den gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus angeschlossenes Netzwerkgerät eine entsprechende zweite Arbitrierungsnachricht sendet. Wenn die Priorität der von dem zweiten Netzwerkgerät zu sendenden Nachricht niedriger ist als die der eigenen zu sendenden Nachricht wird die Nachricht mit der ersten Datenrate gesendet, oder mit einer zweiten Datenrate, welche höher ist als die erste Datenrate. Wenn die Priorität der von dem zweiten Netzwerkgerät zu sendenden Nachricht höher ist als die der eigenen zu sendenden Nachricht wird das Netzwerkgerät angesteuert, den Zweidraht-Bus auf ein Ende einer Übertragung einer mit einer höheren Priorität gesendeten Nachricht zu überwachen.A control method of a network device for the transmission of Ethernet data frames over a two-wire bus shared by several network devices includes the sending of a first arbitration message at a first data rate, which allows the resolution of collisions between two network devices that are sending at the same time, the first arbitration message providing information about Contains priority of a message to be sent by the network device. While the first arbitration message is being sent, it is also monitored whether a second network device connected to the shared two-wire bus is sending a corresponding second arbitration message at the same time. If the priority of the message to be sent by the second network device is lower than that of its own message to be sent, the message is sent at the first data rate or at a second data rate which is higher than the first data rate. If the priority of the message to be sent by the second network device is higher than that of its own message to be sent, the network device is triggered to monitor the two-wire bus for the end of a transmission of a message sent with a higher priority.
Bei einer Ausgestaltung erfolgt das Senden der Arbitrierungsnachricht nur dann, wenn entweder kein anderes an den gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus angeschlossenes Netzwerkgerät sendet, oder wenn ein anderes Netzwerkgerät eine Arbitrierungsnachricht über den gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus sendet.In one embodiment, the arbitration message is only sent when either no other network device connected to the shared two-wire bus is sending, or when another network device sends an arbitration message via the jointly used two-wire bus.
Vorzugsweise wird von jedem Sender jeweils nur ein Ethernet-Datenpaket gesendet, so dass nach dessen Übertragung eine neue Arbitrierung erfolgen kann. Es ist natürlich auch möglich, dass ein Ethernet-Datenpaket ohne vorherige Arbitrierung gesendet wird, bspw. wenn über den gemeinsam genutzten Zweidraht-Bus nur sporadisch Nachrichten gesendet werden, und vor allem dann, wenn diese in vergleichsweise regelmäßigen Abständen gesendet werden, so dass Zeiten, zu denen über den Bus normalerweise keine Nachrichten gesendet werden, leicht ermittelt oder abgeschätzt werden können. Eine entsprechende Auswertung des Netzwerkverkehrs kann in jedem Netzwerkgerät erfolgen, und eine entsprechende Information kann an die Netzwerkschnittstelle bzw. den Physical Layer Transceiver mit jeder zu sendenden Nachricht weitergegeben werden, so dass die Arbitrierung einzelfallweise weggelassen werden kann.Preferably, only one Ethernet data packet is sent from each transmitter, so that a new arbitration can take place after it has been transmitted. It is of course also possible for an Ethernet data packet to be sent without prior arbitration, e.g. if messages are only sent sporadically over the shared two-wire bus, and especially if they are sent at comparatively regular intervals, so that times , for which no messages are normally sent over the bus, can easily be determined or estimated. A corresponding evaluation of the network traffic can take place in each network device, and corresponding information can be passed on to the network interface or the physical layer transceiver with each message to be sent, so that the arbitration can be omitted in individual cases.
Die Arbitrierung anhand der Priorität der zu sendenden Nachrichten erzeugt eine Hierarchie der Nachrichten untereinander. Für die Übertragung von zeitkritischen Nachrichten kann also ein Identifier hoher Priorität vergeben werden, um diesen so Vorrang bei der Übertragung zu gewähren. Dadurch kann eine Übertragung von Nachrichten unter Berücksichtigung einer gewünschten Servicequalität entsprechend IEEE802.3Q erzielt werden. Dennoch kann auch bei Nachrichten hoher Priorität der Sendezeitpunkt zeitlich nicht genau vorher bestimmt werden, weil gerade in Übertragung befindliche Nachrichten nicht unterbrochen werden können und den Startzeitpunkt einer Sendung so bis zur maximalen Nachrichtenlänge verzögern können. Lediglich die maximale Sendeverzögerung für die Nachricht mit der höchsten Priorität kann bei bekannter maximaler Nachrichtenlänge bestimmt werden. Für Nachrichten niedriger Priorität ist im Allgemeinen keine Aussage über den Sendezeitpunkt möglich.The arbitration based on the priority of the messages to be sent creates a hierarchy of messages among one another. For the transmission of time-critical messages, an identifier of high priority can be assigned in order to give them priority during the transmission. As a result, messages can be transmitted while taking into account a desired quality of service in accordance with IEEE802.3Q. However, even with high-priority messages, the time of transmission cannot be determined precisely in advance, because messages currently being transmitted cannot be interrupted and the Delay the start time of a broadcast up to the maximum message length. Only the maximum transmission delay for the message with the highest priority can be determined if the maximum message length is known. For messages with low priority, it is generally not possible to make a statement about the time of sending.
Die Verwendung eines einfachen Zweidraht-Busses ermöglicht die Nutzung von vergleichsweise einfachen Steckern und Buchsen, die zudem in Fahrzeugen aller Art seit langem verwendet werden und ihre Zuverlässigkeit unter vielen Umweltbedingungen unter Beweis gestellt haben. Zur Verringerung der Störempfindlichkeit und Abstrahlung können die beiden Leiter des Zweidraht-Busses verdrillt sein. Da der Zweidraht-Bus die kostengünstige Verbindung von Geräten ermöglicht, wird die Verwendung des Ethernet-Protokolls auch für die Vernetzung von Geräten interessant, welche derzeit unter Umständen noch wenige Daten übertragen, wozu andere Netzwerktypen ausreichend wären, für die aber erwartet wird, dass sie in Zukunft größere Datenmengen senden werden.The use of a simple two-wire bus enables the use of comparatively simple plugs and sockets, which have also been used in vehicles of all kinds for a long time and have proven their reliability under many environmental conditions. To reduce susceptibility to interference and radiation, the two conductors of the two-wire bus can be twisted. Since the two-wire bus enables the cost-effective connection of devices, the use of the Ethernet protocol is also of interest for the networking of devices that may currently still transmit little data, for which other network types would be sufficient, but for which it is expected that they are will send larger amounts of data in the future.
Die Trennung der Funktionen von Logical Link Controller, Media Access Controller und Physical Layer Transceiver sowie die Verbindung dieser Funktionsmodule mittels einer medienunabhängigen Schnittstelle ermöglicht es, bei Anwendung eines Steuergeräts in einer anderen Netzwerkstruktur die Änderung an dem Steuergerät klein zu halten. So kann bspw. allein durch Austauschen des Physical Layer Transceivers eine Anpassung an die Verwendung in einem Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerk mit einem oder mehreren Switches erfolgen, die letztlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bereitstellen. Eine Anpassung in höheren Schichten des OSI-Schichtenmodells ist nicht erforderlich, weil diese bereits korrekte Ethernet-Datenframes bereitstellen. Auch eine Anpassung an eine höhere Datenrate ist auf diese Weise einfach möglich, wenn die maximal mittels des verdrillten Aderpaars eines gemeinsam genutzten Zweidraht-Busses erzielbare Datenrate neuen Anforderungen nicht mehr genügt. Zweidraht-Busse mit verdrillten Leitungen können bis etwa 10 Mbit/s Datenrate genutzt werden. Sollten in einer anderen Netzwerkkonfiguration höhere Datenraten nötig sein, kann dies für ein Netzwerkgerät durch Austausch des Physical Layer Transceivers auf einfache Weise realisiert werden.The separation of the functions of the Logical Link Controller, Media Access Controller and Physical Layer Transceiver as well as the connection of these function modules by means of a media-independent interface makes it possible to keep the changes to the control unit small when using a control unit in a different network structure. For example, simply by exchanging the physical layer transceiver, it can be adapted to use in a high-speed Ethernet network with one or more switches that ultimately provide point-to-point connections. An adaptation in higher layers of the OSI layer model is not necessary because these already provide correct Ethernet data frames. Adaptation to a higher data rate is also easily possible in this way if the maximum data rate that can be achieved by means of the twisted wire pair of a jointly used two-wire bus no longer meets the new requirements. Two-wire buses with twisted cables can be used up to a data rate of around 10 Mbit / s. If higher data rates are required in a different network configuration, this can be easily implemented for a network device by exchanging the physical layer transceiver.
Der bestehende Physical Layer Transceiver gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ohne Anpassungen auch für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen genutzt werden, falls die erzielbare Datenrate zwar grundsätzlich noch ausreicht, die zunehmenden Konkurrenz einer immer größeren Zahl von an denselben Bus angeschlossenen Netzwerkgeräten aber zu einer Zunahme von Zugriffskollisionen führt, so dass aktive Netzwerkkomponenten für die Vermittlung der Datenströme zwischen Netzwerkgeräten eingesetzt werden. Der für die Arbitrierung erforderliche Zeitraum ist im Vergleich zu für die Übertragung der Ethernet-Datenframes benötigten Zeitraum in der Regel vernachlässigbar, so dass hieraus bei einer festen Punkt-zu-Punkt Verbindung kein erheblicher Nachteil entsteht. Alternativ ist es natürlich möglich, dass der Physical Layer Transceiver eine feste Punkt-zu-Punkt Verbindung erkennt und die Arbitrierung dann weglässt, oder dass der Physical Layer Transceiver ein entsprechendes Signal empfängt, auf das hin die Arbitrierung entfällt.The existing physical layer transceiver according to the first aspect of the present invention can also be used for point-to-point connections without adaptations if the achievable data rate is basically still sufficient, but the increasing competition from an ever larger number of network devices connected to the same bus leads to an increase in access collisions, so that active network components are used to switch the data streams between network devices. The time required for the arbitration is usually negligible compared to the time required for the transmission of the Ethernet data frames, so that this does not result in any significant disadvantage in the case of a fixed point-to-point connection. Alternatively, it is of course possible for the physical layer transceiver to recognize a fixed point-to-point connection and then omit the arbitration, or for the physical layer transceiver to receive a corresponding signal in response to which the arbitration does not apply.
Wenngleich die Erfindung in der vorliegenden Beschreibung vor allem mit Bezug auf eine Anwendung in Fahrzeugen, also PKW, LKW, Luft- oder Schienenfahrzeugen beschrieben wurde ist eine Anwendung auch in anderen Bereichen denkbar, bspw. in der Industrieautomatisierung.Although the invention has been described in the present description primarily with reference to an application in vehicles, that is to say cars, trucks, aircraft or rail vehicles, an application in other areas is also conceivable, for example in industrial automation.
FigurenlisteFigure list
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
-
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines exemplarischen erfindungsgemäßen Physical Layer Transceivers, -
2 ein Netzwerk mit mehreren an einen Zweidraht-Bus angeschlossenen Netzwerkgeräten, die jeweils eine erfindungsgemäße Physical Layer Transceiver aufweisen, -
3 ein vereinfachtes Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens eines Netzwerkgerätes zur Übertragung von Ethernet-Datenframes über einen Zweidraht-Bus, und -
4 eine schematische Darstellung von Signalen auf einer Busleitung während der Arbitrierung.
-
1 a simplified schematic representation of an exemplary physical layer transceiver according to the invention, -
2 a network with several network devices connected to a two-wire bus, each of which has a physical layer transceiver according to the invention, -
3rd a simplified flow diagram of a control method according to the invention of a network device for the transmission of Ethernet data frames via a two-wire bus, and -
4th a schematic representation of signals on a bus line during arbitration.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen referenziert sein.Identical or similar elements can be referenced in the figures with the same reference symbols.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
In der zweiten bis vierten Zeile sind die von Netzwerkgeräten
In der unteren Zeile sind die Pegel auf der Busleitung dargestellt, die sich durch das zeitgleiche Ansteuern der Busleitung
Ausgehend von einem im Ruhezustand anliegenden logischen „high“-Pegel wird zunächst von jedem der drei Netzwerkgeräte
The second to fourth lines are those of
In the lower line, the levels on the bus line are shown, which result from the simultaneous activation of the bus line
Starting from a logical “high” level in the idle state, each of the three
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- Physical Layer TransceiverPhysical Layer Transceiver
- 102102
- Zweidraht-BusTwo-wire bus
- 104104
- TreiberschaltungDriver circuit
- 106106
- EmpfängerschaltungReceiver circuit
- 108108
- LogikschaltungLogic circuit
- 110110
- Schnittstelle zum Empfang von PrioritätsinformationInterface for receiving priority information
- 112112
- PufferspeicherBuffer storage
- 114114
- medienunabhängige Schnittstellemedia-independent interface
- 200200
- NetzwerkgerätNetwork device
- 201201
- NetzwerkgerätNetwork device
- 202202
- NetzwerkgerätNetwork device
- 204204
- Media Access ControllerMedia Access Controller
- 206206
- Logical Link ControllerLogical Link Controller
- 300300
- Netzwerknetwork
- 302302
- BusterminierungBus termination
- 400400
- VerfahrenProcedure
- 402-408402-408
- VerfahrensschritteProcedural steps
- SASSAS
- Arbitrierungs-StartsignalArbitration start signal
- EASEAS
- Arbitrierungs-EndsignalArbitration end signal
- BUSBUS
- BusleitungBus line
Claims (13)
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