DE102014200101A1

DE102014200101A1 - Switch-Anschlussvorrichtung für ein Kraftfahrzeug-Kommunikationsnetzwerk

Info

Publication number: DE102014200101A1
Application number: DE102014200101.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Königseder; Michael Kaindl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anschlussvorrichtung (22) für ein Ethernet-Kommunikationsnetzwerk (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit einer Masterschaltung (24), die eine MII-Schnittstelle aufweist, die dazu ausgelegt ist, mit einer Komponente (28) einer im ISO-OSI-Referenzmodell übergeordneten MAC-Netzwerkschicht zu kommunizieren, und mit mehreren Slaveschaltungen (26), von denen jede einen Medienanschluss zum Anschließen einer jeweiligen Netzwerkleitung (18) aufweist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Medienanschlüsse mit geringem Verschaltungsaufwand und thermisch günstig mit der MII-Schnittstelle zu verschalten. Die Slaveschaltungen (26) können hierzu über eine gemeinsame Sendeleitung (52) an die Masterschaltung (24) angeschlossen sein, wobei ein Multiplexer (64) der Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, an der MII-Schnittstelle empfangene Sendedaten mittels eines Zeitmultiplexverfahrens über die Sendeleitung (52) auszugeben. Die Slaveschaltungen (26) können auch über eine gemeinsame Empfangsleitung (54) an die Masterschaltung (24) angeschlossen sein, wobei ein Demultiplexer (64) der Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, über die Empfangsleitung (54) empfangene Empfangsdaten mittels eines Zeitdemultiplexverfahrens nacheinander an der MII-Schnittstelle auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anschlussvorrichtung für einen Switch eines Ethernet-Kommunikationsnetzwerks eines Kraftfahrzeugs. Die Anschlussvorrichtung verbindet Netzwerkleitungen mit dem Switch und weist hierzu eine Masterschaltung sowie periphere Slaveschaltungen auf, von denen jede einen Medienanschluss zum Anschließen einer der Netzwerkleitungen aufweist. Jede Slaveschaltung kann hierzu beispielsweise einen sogenannten PHYceiver aufweisen. Über die MII-Schnittstelle kommuniziert die Masterschaltung mit einer Komponente einer im ISO-OSI-Referenzmodell übergeordneten MAC-Netzwerkschicht des Switches. Die Komponente kann z.B. Bestandteil eines Mikrocontrollers oder eines MII-Chips (MII – Media Independent Interface) sein.
Der Ethernet-Standard und der dazugehörige BroadRReach-Standard realisieren im standardisierten ISO-OSI-Referenzmodell oder Schichtenmodell auf bewährte Weise die Layer 1 und die Layer 2. Wichtig ist hierbei die Schnittstelle zwischen dem Layer 1 und Layer 2. Beim Ethernet-Standard kann dies eine MII-Schnittstelle sein. Aufgrund verschiedener Anforderungen gibt es einige Derivate dieser MII-Schnittstelle, die hier alle von der Erfindung umfasst sind und allgemein als MII-Schnittstelle bezeichnet sind.
Eine parallele MII-Schnittstelle für 100MB (MB – Megabit) kann hierbei je ein 4-Bit-Interface für eine Senderichtung (TX) und eine Empfangsrichtung (RX) aufweisen. Die Taktrate beträgt 25 MHz. Eine Ausprägung für 10/100/1000MB, d.h. bei einer Übertragungsrate von bis zu 1 Gigabit pro Sekunde, ist eine SGMII-Schnittstelle mit nur je einem 1-Bit-seriellen Interface für Sende- und Empfangsrichtung. Die Taktrate kann durch eine 8/10-Bit-Codierung bei 1,25 GHz liegen. Zur Signalisierung können differentielle Signale für Clock, Empfangsdaten (Data-In oder RX) oder Sendedaten (Data-Out oder TX) verwendet werden.
Eine MII-Schnittstelle kann im Stand der Technik nicht nur die Physical Layer (Layer 1) mit einer Komponente der MAC-Netzwerkschicht (MAC – Media Access Control) der Layer 2 sondern auch zwei Komponenten der MAC-Netzwerkschicht untereinander verbinden, z.B. einen Mikrocontroller mit einem MII-Chip oder Switch-Baustein, die zusammen in einer Switchvorrichtung bereitgestellt sein können.
Eine Switchvorrichtung ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine im Umfeld von Layer 2 oder von Layer 2 bis Layer 3 oder 4 des ISO-OSI-Referenzmodells bereitgestellte Netzwerkkomponente, welche geeignete Einrichtungen enthalten kann, um verschieden Datenpakete von der Layer 1 aus unterschiedlichen Netzwerkleitungen zu empfangen und/oder in diese auszusenden sowie optional auf den Ebenen des Layer 3 oder sogar Layer 4 die Datenpakete zu verarbeiten. Es kann von einer Switchvorrichtung die in den Datenpaketen enthaltene Zieladresse optional auch ausgewertet und jedes Datenpaket nur an die nötige Netzwerkleitung weitergegeben werden. Ferner können in einem Datenpaket noch für die Ebene des Layer 2 und höher Informationen enthalten sein, die eine Switchvorrichtung ebenfalls verarbeiten kann. Das sind z.B. Informationen über ein virtuelles LAN (Local Area Network), Broadband-Messages, aber auch bereits einfache inhaltbasierte Filter für einzelne Datenströme. Eine Switchvorrichtung kann auch Einrichtungen enthalten, mit denen Datenströme zeitlich als auch über das Volumen priorisiert werden können. Diese Einrichtungen werden vielfach untern dem Schlagwort AVB (Audio-Video-Bridge) im Multimedia Umfeld angewendet.
Switchvorrichtungen werden heute für den Konsumerbereich in der Ausprägung von 2 bis 8 Medienanschlüssen angeboten. Der eigentliche Switch-Baustein der Switchvorrichtung, also der eigentliche Switch, und die damit verbundene Logik sind daher für viele Anwendungsthemen bei Kommunikationsnetzwerken von entscheidender Bedeutung. Die Anzahl von MII-Schnittstellen bei modernen Switch-Bausteinen sind dabei bis zu drei MII-Schnittstellen. So kann z.B. ein Switch-Baustein mit zwei MII-Schnittstellen einerseits über eine der MII-Schnittstellen an den Mikrocontroller und andererseits mit der anderen MII-Schnittstelle an einen peripheren PHY-Baustein der Layer 1 angebunden sein. Der Mikrocontroller kann dann die in dem ISO-OSI-Referenzmodell höheren Einrichtungen enthalten. Der PHY-Baustein kann den Transceiver zum Betreiben eines einzelnen Medienanschlusses aufweisen. Ein integrierter Schaltkreis (IC) eines Switch-Bausteins kann heute auch selbst eine Schaltung eines PHY-Bausteins mit beinhalten, so dass der Medienanschluss ohne MII-Schnittstelle direkt an den Switch angeschlossen sein kann.
Um mittels eines einzelnen Switch-Bausteins mehrere Medienanschlüsse zu Versorgen, muss der Switch-Baustein also entweder für jeden Medienanschluss jeweils eine MII-Schnittstelle zum Anschließen eines peripheren PHY-Bausteins oder einen eigenen integrierten Transceiver aufweisen. Die Anzahl der Kontakte oder Pins für eine einzelne MII-Schnittstelle ist derart hoch, dass ein Switch-Baustein mit vielen MII-Schnittstellen zum Anschließen von PHY-Bausteinen zu einem unerwünscht hohen externen Verschaltungsaufwand führt. Integrierte Transceiver können eine unerwünscht große Abwärme im Switch-Baustein erzeugen.
Bei Kraftfahrzeugen ist man bestrebt, für unterschiedliche Modelle nach Möglichkeit eine einheitliche Switchvorrichtung mit einem Switch-Baustein und zugehörigen Ports oder Medienanschlüssen zu verwenden. Die Anzahl der benötigten Medienanschlüsse kann aber zwischen den Modellen variieren. Weist die Switchvorrichtung eines Modells hier einen Überhang an Medienanschlüssen auf, muss dieser bei dem Modell mitgeschleppt und finanziert werden. Benötigt ein Modell mehr Medienanschlüsse als die Switchvorrichtung bietet, so erfolgt die Erweiterung mit den heutigen Mitteln groß granular mit z.B. einem weiteren Switch-Baustein. Dann kann wieder ein Überhang gegeben sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Switchvorrichtung mit geringem Verschaltungsaufwand und thermisch günstig mehrere Medienanschlüsse mit einer MII-Schnittstelle zu verschalten.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
Durch die Erfindung ist eine Anschlussvorrichtung für ein Ethernet-Kommunikationsnetzwerk eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Anschlussvorrichtung kann zwischen eine MII-Schnittstelle einerseits und Netzwerkleitungen des Kommunikationsnetzwerks andererseits geschaltet werden. Die Anschlussvorrichtung weist eine Masterschaltung auf, welche die MII-Schnittstelle aufweist, über welche die Masterschaltung mit einer Komponente einer im ISO-OSI-Referenzmodell übergeordneten MAC-Netzwerkschicht kommuniziert. Die Anschlussvorrichtung weist des Weiteren mehrere Medienanschlüsse auf, über welche jeweils eine Netzwerkleitung in bekannter Weise angeschlossen werden kann. Jeder Medienanschluss ist dabei Bestandteil einer Schaltung, die hier als Slaveschaltung bezeichnet ist. Mit anderen Worten weist die Anschlussvorrichtung mehrere Slaveschaltungen auf.
Die Slaveschaltungen sind mit der Masterschaltung über eine gemeinsame Sendeleitung verbunden. Die Masterschaltung muss als Sendedaten, die sie über die MII-Schnittstelle empfängt, über diese Sendeleitung an die einzelnen Slaveschaltungen verteilen. Die Masterschaltung weist hierzu einen Multiplexer auf, der dazu ausgelegt ist, die an der MII-Schnittstelle empfangenen Sendedaten mittels eines Zeitmultiplexverfahrens über die Sendeleitung auszugeben. Mit anderen Worten empfängt die Masterschaltung über MII-Schnittstelle all diejenigen Sendedaten, die an eine der Slaveschaltungen zu übertragen sind, damit diese jeweils ihre Sendedaten über den Medienanschluss auf die jeweilige Netzwerkleitung überträgt. Bei den Sendedaten handelt es sich um Anwendungsdaten oder Nutzdaten für einen anderen Netzwerkteilnehmer, der über die Netzwerkleitung mit der Anschlussvorrichtung verbunden ist. Durch das Zeitmultiplexverfahren werden die Sendedaten für verschiedene der Slaveschaltungen zeitlich nacheinander über die Sendeleitung übertragen.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Sendeleitung und einem Multiplexer weist die Masterschaltung einen Demultiplexer auf. In diesem Fall sind die Slaveschaltungen über eine gemeinsame Empfangsleitung an die Masterschaltung angeschlossen. Der Demultiplexer gibt Empfangsdaten, die über die Empfangsleitung empfangen worden sind, mittels eines Zeitdemultiplexverfahrens nacheinander an der MII-Schnittstelle aus. Mit anderen Worten werden die Empfangsdaten, die an den unterschiedlichen Medienanschlüssen der Slaveschaltungen empfangen worden oder eingetroffen sind, über ein und dieselbe Empfangsleitung an die Masterschaltung übertragen, welche dann die Empfangsdaten an die MAC-Netzwerkschicht über die MII-Schnittstelle ausgibt.
Durch die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung ergibt sich der Vorteil, dass eine einzige MII-Schnittstelle ausreicht, um von der MAC-Netzwerkschicht ausgehend Sendedaten über mehrere Medienanschlüsse in jeweilige Netzwerkleitungen auszusenden und/oder über eine einzige MII-Schnittstelle Empfangsdaten von mehreren Medienanschlüssen zu empfangen. Dies verringert in vorteilhafter Weise die Anzahl der Leiterbahnen, über welche die Komponente der MAC-Netzwerkschicht mit den Medienanschlüssen verbunden sein muss. Indem des Weiteren die Slaveschaltungen periphere Schaltungen bezüglich der Masterschaltung darstellen, ist auch die durch die Treiberschaltungen der Medienanschlüsse erzeugte Abwärme nicht in der Masterschaltung konzentriert, sondern auf die einzelnen Slaveschaltungen verteilt. Dies ergibt einen thermisch günstigen Betrieb.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass abhängig von der benötigten Anzahl an Medienanschlüssen die Anzahl der Slaveschaltungen variiert werden kann, ohne dass hierzu die Masterschaltung schaltungstechnisch verändert werden muss.
Der Multiplexer und/oder der Demultiplexer können beispielsweise jeweils auf der Grundlage von Schieberegistern realisiert sein. Als geeignete Bausteile haben sich Gatearrays, beispielsweise FPGAs (FPGA – Field Programmable Gate Array) erwiesen.
Natürlich kann die Masterschaltung auch mehr als eine MII-Schnittstelle aufweisen, so dass mehrere Komponenten der MAC-Netzwerkschicht, beispielsweise mehrere Mikrocontroller mit entsprechender Funktionalität, oder mehrere Switch-Bausteine, angeschlossen werden können.
Die Sendeleitung und/oder die Empfangsleitung kann hierbei eine Ein-Bit-Leitung oder auch eine parallele Mehr-Bit-Leitung sein. Mit anderen Worten können die Sendeleitung und die Empfangsleitung jeweils beispielsweise eine einzelne oder mehrere Leiterbahnen aufweisen. Bevorzugt ist die aber Sendeleitung eine serielle Sendeleitung und/oder die Empfangsleitung eine serielle Empfangsleitung. Mit serieller Leitung ist hier eine Einzeldrahtleitung oder auch eine Leitung mit differentieller oder symmetrischer Signalübertragung zu verstehen. Beispiel für eine differenzielle Übertragung ist ein LVDS (Low Voltage Differencial Signaling). Durch serielle Leitungen kann der Verschaltungsaufwand vorteilhaft noch weiter reduziert werden.
Bevorzugt sind sowohl eine explizite Sendeleitung als auch eine explizite Empfangsleitung vorgesehen. Hierbei sind gemäß einer Weiterbildung der Anschlussvorrichtung die Sendeleitung und die Empfangsleitung durch einen Kommunikationsbus bereitgestellt. Jede Slaveschaltung ist sodann dazu ausgelegt zum Empfangen von Sendedaten, die sie an ihrem Medienanschluss aussenden soll, sowie zum Weiterleiten von Empfangsdaten, die sie an ihrem Medienanschluss empfangen hat, über den Kommunikationsbus selbst ein Zeitmultiplexing durchzuführen, so dass die Busleitung des Kommunikationsbusses sowohl als Sendeleitung als auch Empfangsleitung betrieben wird. Der Kommunikationsbus kann als linearer Bus oder als Ringbus ausgestaltet sein.
Im Zusammenhang mit einer Ringschaltung sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Slaveschaltungen untereinander über eine jeweilige Kommunikationsleitung als eine Daisy-Chain kaskadiert verschaltet sind und die erste Slaveschaltung in der Daisy-Chain mit der Sendeleitung und/oder die letzte Slaveschaltung in der Daisy-Chain mit der Empfangsleitung verbunden ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass gleichzeitig mehrere Slaveschaltungen Empfangsdaten ausgeben können.
Wie eingangs beschrieben, kann eine MII-Schnittstelle auch als parallele Schnittstelle mit beispielsweise je einem Vier-Bit-Interface für die Senderichtung und die Empfangsrichtung ausgestaltet sein. Hierzu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Anschlussvorrichtung eine SerDes-Schaltung (SerDes – Seriellisierer – Deseriellisierer) vor, die dazu ausgelegt ist, in der Masterschaltung die über die parallele MII-Schnittstelle empfangenen Sendedaten seriell über die Sendeleitung und/oder seriell über die Empfangsleitung empfangenen Empfangsdaten parallel an der MII-Schnittstelle auszugeben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch ein Switch-Baustein oder ein Mikrocontroller mit paralleler MII-Schnittstelle über ein und dieselbe Sendeleitung und/oder Empfangsleitung mit mehreren Medienanschlüssen verschaltet werden kann.
Auch in den Slaveschaltungen kann gemäß einer Ausführungsform jeweils eine eigene Slave-SerDes-Schaltung vorgesehen sein. Diese Slave-SerDes-Schaltung ist dann dazu ausgelegt, die seriell über die Sendeleitung empfangenen Sendedaten an eine parallele MII-Schnittstelle eines PHY-Bausteins auszugeben, der einen Medienanschluss aufweist oder betreibt. Umgekehrt können die am Medienanschluss empfangenen Empfangsdaten über die parallele MII-Schnittstelle und die Slave-SerDes-Schaltung auf die serielle Empfangsleitung ausgegeben werden.
Die beschriebenen SerDes-Schaltungen können beispielsweise auf der Grundlage von Schieberegistern realisiert werden.
Wenn die Masterschaltung Sendedaten über die Sendeleitung ausgibt, muss von jeder Slaveschaltung erkannt werden, ob diese Sendedaten für sie bestimmt sind. Genauso muss die Masterschaltung erkennen, von welcher Slaveschaltung die über die Empfangsleitung empfangenen Empfangsdaten stammen. Hierzu sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Masterschaltung über eine Taktleitung Taktzyklen für jede Slaveschaltung vorgibt. Jede Slaveschaltung ist dabei dazu ausgelegt, die Taktzyklen der Taktleitung mit einem Zähler zu zählen und nur, falls der aktuelle Zählerstand des Zählers ein vorbestimmtes Identifikationskriterium erfüllt, dann die über die Sendeleitung empfangenen Sendedaten über ihren Medienanschluss auszugeben und/oder die über ihren Medienanschluss empfangenen Empfangsdaten auch über die Empfangsleitung an die Masterschaltung zu senden. Das Identifikationskriterium kann beispielsweise vorsehen, dass in Abhängigkeit von der Gesamtzahl der Slaveschaltungen für bestimmte Zählerstände das Senden und Empfangen der jeweiligen Slaveschaltung freigeschaltet ist. Das Überwachen der Zählerstände weist den Vorteil auf, dass mit einer verhältnismäßig einfach zu realisierenden Zählerschaltung der Betrieb sämtlicher Slaveschaltungen abgestimmt oder koordiniert wird.
Damit nicht zwei Slaveschaltungen zugleich senden oder empfangen, sieht eine Weiterbildung vor, dass jede Slaveschaltung ein eigenes, individuell einstellbar ausgestaltetes Identifikationsregister aufweist und dazu ausgelegt ist, Koppelzeitpunkte zum Ankoppeln und/oder Abkoppeln des Medienanschlusses von der Sendeleitung und/oder der Empfangsleitung in Abhängigkeit von einem Registerinhalt ihres Identifikationsregisters einzustellen. So kann also jede Slaveschaltung mit einem eigenen Registerinhalt, also einem eigenen Identifikationswert, versehen werden, wodurch sich bei baugleichen Slaveschaltungen dennoch unterschiedliche Koppelzeitpunkte ergeben.
Bisher wurde beschrieben, wie bei der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung die Sendedaten und die Empfangsdaten mittels eine Zeitmultiplexmethode bei geringem Verschaltungsaufwand verteilt werden können. Neben den über die MII-Schnittstelle übertragenen Sendedaten und Empfangsdaten kann auch vorgesehen sein, MDIO-Daten (MDIO – Management Data Input/Output) getrennt von den Sendedaten und/oder den Empfangsdaten zu übertragen. Hierzu sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Masterschaltung und die Slaveschaltungen über eine gemeinsame, von der Sendeleitung und der Empfangsleitung verschiedene Steuerleitung und/oder Statusleitung verbunden sind und die Masterschaltung dazu ausgelegt ist, über die Steuerleitung MDIO-Steuerdaten an die Slaveschaltungen und/oder über die Statusleitung MDIO-Statusdaten von den Slaveschaltungen zu empfangen. Die Steuerleitung und/oder die Statusleitung ist bevorzugt ebenfalls eine serielle Datenleitung. Auch in Bezug auf die Steuerleitung und/oder die Statusleitung kann hierbei vorgesehen sein, dass die Slaveschaltungen in einer Daisy-Chain verschaltet sind und die Steuerleitung für die MDIO-Steuerdaten sowie die Statusleitung für die MDIO-Statusdaten Bestandteil eines gemeinsamen Ringbusses sind.
Die Übertragung der MDIO-Daten muss dabei nicht mit derselben hohen Taktrate wie die Sendedaten und die Empfangsdaten erfolgen. Um dennoch einen vorteilhaft koordinierten Betrieb der Slaveschaltungen in Bezug auf das Übertragen der Sende-/Empfangsdaten einerseits und der MDIO-Daten andererseits zu erhalten, sieht eine Weiterbildung vor, dass die Masterschaltung dazu ausgelegt ist, einen Takt für eine MDIO-Taktleitung für die Steuerleitung über eine Teilerschaltung aus einem MII-Takt für die Sendeleitung und/oder die Empfangsleitung abzuleiten. Hierdurch kann dann beispielsweise der oben beschriebene Zählermechanismus dazu genutzt werden, auch das Übertragen von MDIO-Steuerdaten und/oder MDIO-Statusdaten innerhalb einer jeweiligen Slaveschaltung mit den übrigen Slaveschaltungen zu koordinieren.
Die beschriebene Daisy-Chain aus Slaveschaltungen kann auch mehrfach vorhanden sein. Eine entsprechende Weiterbildung der Anschlussvorrichtung sieht vor, dass die Masterschaltung zumindest einen zusätzlichen Anschlussbereich mit einer jeweiligen zusätzlichen Sendeleitung und/oder einer jeweiligen zusätzlichen Empfangsleitung aufweist. An jedem zusätzlichen Anschlussbereich ist dann jeweils wieder eine Daisy-Chain aus zusätzlichen Slaveschaltungen angeschlossen, indem jeweils die mehreren zusätzlichen Slaveschaltungen untereinander über eine jeweilige Kommunikationsleitung zu der Daisy-Chain verschaltet sind und jeweils die erste Slaveschaltung der Daisy-Chain mit der jeweiligen zusätzlichen Sendeleitung und/oder die letzte Slaveschaltung der Daisy-Chain mit der jeweiligen zusätzlichen Empfangsleitung des Anschlussbereichs verbunden ist. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise vermieden, dass eine einzelne Daisy-Chain zu lang wird, falls die Anzahl der benötigten Medienanschlüsse zu groß ist.
Zu der Erfindung gehört auch eine Switchvorrichtung. Wie eingangs beschrieben, weist eine Switchvorrichtung eine Steuereinheit auf, die dazu ausgelegt ist, zumindest eine Funktion einer MAC-Netzwerkschicht gemäß dem ISO-OSI-Referenzmodell bereitzustellen. Die Steuereinheit kann hierbei beispielsweise ein Mikrocontroller oder ein Switch-Baustein oder auch eine Kombination aus einem Mikrocontroller mit nachgeschaltetem Switch-Baustein sein. An einer MII-Schnittstelle der Steuereinheit ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung angeschlossen. Die erfindungsgemäße Switchvorrichtung weist den Vorteil auf, dass sie in unterschiedlichen Modellen von Kraftfahrzeugen bereitgestellt werden kann und hierbei mit geringem Aufwand an die im jeweiligen Modell benötigte Anzahl von Medienanschlüssen angepasst werden kann, indem dieselbe Masterschaltung benutzt wird und lediglich die Anzahl der Slaveschaltungen angepasst wird.
Zu der Erfindung gehört entsprechend auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Switchvorrichtung. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Motorrad oder als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ausgestaltet sein.
Um in der Switchvorrichtung die einzelnen Slaveschaltungen im Betrieb miteinander zu koordinieren, ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, bei welchem für jede Slaveschaltung ein eigenes Zeitintervall festgelegt wird, wobei sich die Zeitintervalle voneinander unterscheiden, und jede Slaveschaltung nur in ihrem eigenen Zeitintervall Sendedaten aus der Sendeleitung an ihren Medienanschluss überträgt und/oder Empfangsdaten von ihrem Medienanschluss in die Empfangsleitung überträgt. Jede Slaveschaltung kann auch einen Datenpuffer aufweisen, um Empfangsdaten, die sie aus der Netzwerkleitung empfängt, puffern zu können, während die Empfangsleitung hin zur Masterschaltung von einer anderen Slaveschaltung genutzt oder blockiert wird.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich hierbei, wenn die Sendedaten für jede Slaveschaltung über die MII-Schnittstelle synchron zum Multiplexing übergeben werden und/oder die Empfangsdaten über die MII-Schnittstelle synchron zum Multiplexing ausgelesen werden, d.h ohne Zwischenpufferung in der Masterschaltung. Die Masterschaltung selbst muss also keine Daten zwischenpuffern. Sie kann die über die MII-Schnittstelle empfangenen Sendedaten gleich direkt an die sendebereite Slaveschaltung ausgeben. Entsprechend können Empfangsdaten von einer Slaveschaltung gleich direkt über die MII-Schnittstelle ausgelesen werden, da an der MII-Schnittstelle synchron zu den Betriebs- oder Zeitintervallen der Slaveschaltungen übertragen wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Switchvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung der Switchvorrichtung des Kraftfahrzeugs von 1;
3 eine schematische Darstellung einer Masterschaltung der Switchvorrichtung von 2;
4 eine Slaveschaltung der Switchvorrichtung von 2;
5 ein Zeitablaufdiagramm einer Datenübertragung zwischen der Masterschaltung und Slaveschaltungen der Switchvorrichtungen von 2;
6 ein Zeitablaufdiagramm für eine Koordination von Sendevorgängen der Masterschaltung;
7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung; und
8 eine schematische Darstellung einer Detailansicht der Slaveschaltung von 4.
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Der Kraftwagen 10 kann ein Kommunikationsnetzwerk 12 aufweisen, das nach dem Ethernet-Standard ausgestaltet ist. Das Kommunikationsnetzwerk 12 kann eine Switchvorrichtung 14 aufweisen, über welche mehrere Netzwerkteilnehmer 16 über einen jeweiligen Netzwerkzweig 18 sowohl untereinander als auch mit einer Steuereinheit 20 der Switchvorrichtung 14 Daten austauschen können. Die Steuereinheit 20 kann beispielsweise ein Mikrocontroller der Switchvorrichtung 14 sein. Es kann sich bei der Steuereinheit 20 auch um einen vollständigen Computer handeln, welcher Daten der Netzwerkteilnehmer 16 verarbeiten kann. Bei den Netzwerkteilnehmern 16 kann es sich beispielsweise jeweils um eine Kamera oder einen Ultraschallsensor oder einen Radarsensor oder ein Bildwiedergabegerät, wie beispielsweise einen Bildschirm, oder ein Medienabspielgerät oder ein Infotainmentsystem oder ein Navigationsgerät handeln.
Um die Steuereinheit 20 und die Netzwerkteilnehmer 16 untereinander zu verbinden, ist bei der Switchvorrichtung 14 eine Anschlussvorrichtung 22 bereitgestellt, die eine Masterschaltung 24 und in dem in 1 gezeigten Beispiel vier Slaveschaltungen 26 aufweisen kann. Die Slaveschaltungen sind in dem Beispiel durch individuelle Bezeichnungen PHY 0, PHY 1, PHY 2, PHY 3 voneinander unterschieden.
Die Masterschaltung 24 kann über eine MII-Schnittstelle mit der Steuereinheit 20 gekoppelt sein. Eine MAC-Komponente 28 der Steuereinheit 20, beispielsweise ein Programmmodul oder ein integrierter Schaltkreis, kann hierbei eine oder mehrere Funktionen einer MAC-Netzwerkschicht ausführen. Auch auf der Seite der Masterschaltung 24 kann eine MAC-Komponente 30 realisiert sein, um Adressinformationen in den über die MII-Schnittstelle ausgetauschten Datenpaketen den jeweiligen Slaveschaltungen 26 oder den Netzwerkleitungen 18 zuzuordnen. Eine Prozessoreinrichtung 32 der Steuereinheit 20 kann beispielsweise eine Bildverarbeitung durchführen. Die Steuereinheit 20 kann auch eine Gatewayfunktion ausführen, mittels welcher über eine Gateway-Schnittstelle 34 Daten an ein weiteres Kommunikationsnetzwerk 36 ausgegeben werden können.
Die Slaveschaltungen 26 weisen jeweils einen Medienanschluss auf, über welchen die Netzwerkleitungen 18 mechanisch und elektrisch mit der Slaveschaltung 26 verbunden sein können.
Obwohl in dem in 1 gezeigten Beispiel insgesamt vier Slaveschaltungen 26 mit jeweils einem Medienanschluss an die Masterschaltung 24 angeschlossen sind, kann die Steuereinheit 20 die Sendedaten für die Medienanschlüsse und Empfangsdaten von den Medienanschlüssen über eine einzige MII-Schnittstelle (MII) austauschen. Im Stand der Technik wäre hier für jeden Medienanschluss eine eigene MII-Schnittstelle nötig. Die Masterschaltung 24 wirkt hier als Adapter zwischen der einzelnen MII-Schnittstelle einerseits und den Slaveschaltungen 26 andererseits. Die Slaveschaltungen 26 sind hierbei zu einer Daisy-Chain 38 zusammen verschaltet.
Das Funktionsprinzip der Anschlussvorrichtung 22 ist in 2 genauer veranschaulicht. In 2 ist gezeigt, dass die MII-Schnittstelle als eine parallele MII-Schnittstelle mit einer 4-Bit-Sendedatenleitung (Tx Data), einer 4-Bit-Empfangsdatenleitung (Rx Data) sowie Kontrollleitungen (Tx/Rx Control), Kontaktleitungen (Tx/Rx Clock) und Statusleitungen (Tx/Rx Status) ausgelegt sein kann. Dies ist aber nur beispielhaft. Es kann auch eine SGMII-Schnittstelle oder eine andere MII-Schnittstelle vorgesehen sein.
Die Masterschaltung 24 stellt einen Wandler MII-to-Seriell-Master dar, der die MII-Schnittstelle auf eine serielle Sendeschnittstelle 40 für Sendedaten und eine serielle Empfangsschnittstelle 42 für Empfangsdaten sowie eine MII-Taktleitung 44, eine serielle MDIO-Steuerleitung 46, eine MDIO-Statusleitung 48 und eine MDIO-Taktleitung 50 abbilden oder adaptieren oder umwandeln kann. In der 2 ist für eine an die Sendeschnittstelle 40 angeschlossene Sendeleitung 52, die MII-Taktleitung 44 und eine an die Empfangsschnittstelle 42 angeschlossene Empfangsleitung 54 durch Doppellinien angedeutet, dass diese Leitungen als differenzielle serielle Leitungen ausgelegt sein können. Die im Verhältnis zu den MDIO-Leitungen 46, 48, 50 stärkere Strichdicke symbolisiert eine höhere Taktrate, insbesondere eine zehnfach höhere Taktrate.
Die Masterschaltung 24 und die Slaveschaltungen 26 können durch ein jeweiliges Identifikationsregister 56 schaltungstechnisch oder logisch voneinander unterschieden sein, wobei ein Registerinhalt 56 beispielhaft von außerhalb der jeweiligen Schaltung beispielsweise durch Steuerleitungen oder Steckkontakte festgelegt werden kann.
Um die Daisy-Chain 38 zu bilden, können die Slaveschaltungen 26 untereinander durch eine jeweilige Kommunikationsleitung 60 untereinander verbunden sein, um Sendedaten und Empfangsdaten auszutauschen. Die Sendeleitung 52, die Kommunikationsleitungen 60 und die Empfangsleitung 54 können zusammen einen seriellen Ringbus bilden. Es können auch zusätzliche Kommunikationsleitungen 62 zum Übertragen der MDIO-Steuerdaten und der MDIO-Statusdaten vorgesehen sein. Dann können die Steuerleitung 46, die zusätzliche Kommunikationsleitungenn 62 und die Statusleitung 48 einen seriellen Ringbus bilden.
In 3 ist ein möglicher Aufbau der Masterschaltung 24 veranschaulicht. Die über die MII-Schnittstelle empfangenen Sendedaten Tx Data und die an der MII-Schnittstelle ausgegebenen Empfangsdaten Rx Data können beispielsweise mittels einer Multiplexer-/Demultiplexer-Schaltung oder kurz DeMux-Schaltung 64 übertragen werden, die dazu ausgelegt ist, die Sendedaten Tx Data über die Sendeleitung 52 an die Slaveschaltungen 26 auszusenden und von der Empfangsleitung 54 empfangene Empfangsdaten der Slaveschaltungen 26 als die Empfangsdaten Rx Data an der MII-Schnittstelle bereitzustellen oder auszugeben. Die DeMux-Schaltung 64 kann beispielsweise auf der Grundlage von Schieberegistern realisiert sein.
Zum Erzeugen und Umsetzen differenzieller Signale können entsprechende Schaltungen 66 bereitgestellt sein, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die MDIO-Steuerdaten und MDIO-Statusdaten können über eine weitere DeMux-Schaltung 68 zwischen der MDIO-MII-Schnittstelle einerseits und der Steuerleitung 46 und der Statusleitung 48 andererseits übertragen werden. Auch die DeMux-Schaltung 68 kann auf der Grundlage von Schieberegistern realisiert sein. Ein Takt für die MII-Taktleitung 44 kann beispielsweise durch einen Schwingquarz 70 der Masterschaltung 24 erzeugt werden. Ein Takt für die MDIO-Taktleitung 50 kann auf der Grundlage von einer oder mehreren Teilerschaltungen 72 auf den Takt der MII-Taktleitung 44 abgeleitet werden. Eine Steuerschaltung 74 kann eine Steuerlogik zum koordinierten Betreiben der DeMux-Schaltungen 64, 68 aufweisen.
Die DeMux-Schaltung 64 bildet in dem Beispiel zugleich eine SerDes-Schaltung, welche die parallele MII-Schnittstelle auf die serielle Sendeschnittstelle 40 und die serielle Empfangsschnittstelle 42 auf die parallele MII-Schnittstelle abbildet.
In 4 ist eine mögliche Anbindung einer Slaveschaltung 26 dargestellt. In dem gezeigten Beispiel ist die Slaveschaltung 26 auf der Grundlage eines Standard-PHY-Bausteins 76 mit einem Medienanschluss 76’ zum Anschließen der Netzwerkleitung 18 und mit einer parallelen MII-Schnittstelle 78 realisiert. Um die über die Sendeleitung 52 empfangenen Sendedaten und entsprechend die über die Empfangsleitung 54 an die Masterschaltung 24 übertragenen Empfangsdaten mittels des PHY-Bausteins 76 auf die Netzwerkleitung 18 übertragen zu können, ist bei der Slaveschaltung 26 eine SerDes-Schaltung bereitgestellt, also eine Slave-SerDes-Schaltung 80. Die Slave-SerDes-Schaltung 80 kann wie die Masterschaltung 24 eigene DeMux-Schaltungen 64, 68, eine Steuerlogik 74, Teilerschaltungen 72 und Schaltungen 66 umfassen. Mit anderen Worten kann die Grundschaltung der Masterschaltung 24 auch in jeder Slaveschaltung 26 zugrunde gelegt sein. In 4 ist für die differenziellen Leitungen noch genauer veranschaulicht, dass es eine positive Leitung P und eine negative Leitung N gibt.
In 5 ist eine Reihenfolge veranschaulicht, in welcher Sendedaten und Empfangsdaten übertragen werden können. Für jede Slaveschaltung 26 ist ein Zeitfenster oder Zeitintervall 82 vorgesehen, in welchem die jeweilige Slaveschaltung PHY 0, PHY 1, PHY 2, PHY 3 die über die Sendeleitung 52 direkt und indirekt über eine Kommunikationsleitung 60 empfangenen Sendedaten Tx an ihren Medienanschluss 76’ weiterleitet und über den Medienanschluss 76 empfangene Empfangsdaten Rx über eine Kommunikationsleitung 60 indirekt oder, im Falle der letzten Slaveschaltung der Daisy-Chain 38, direkt über die Empfangsleitung 54 ausgibt. Steuerdaten CNTL und Statusdaten STAT für die einzelnen Slaveschaltungen 26 können mit einer niedrigeren MDIO-Taktrate der MDIO-Taktleitung 50 als die MII-Taktrate der MII-Taktleitung 44 übertragen werden. Entsprechend müssen die Steuerleitung 46 und die Statusleitung 58 weniger aufwendig geschirmt sein als die Sendeleitung 52 und die Empfangsleitung 54 und die MII-Taktleitung 44. Insbesondere kann eine differentielle Übertragung entfallen.
Jede Slaveschaltung 26 kann ihr Zeitintervall 82 beispielsweise mittels eines Zählers ermitteln, welcher Taktzyklen 84 des MII-Taktes auf der MII-Taktleitung 44 oder Taktzyklen 84’ auf der MDIO-Taktleitung 50 zählt. Letzteren ist weniger aufwendig.
In 6 ist entsprechend veranschaulicht, wie eine einzelne Slaveschaltung 26 für das Empfangen der Steuerdaten CNTL und das Senden der Statusdaten STAT einen Sendetakt aus der MDIO-Taktleitung 50 ableiten kann. Auch für die Sendedaten Tx und die Empfangsdaten Rx kann ein Koppelzeitpunkt ermittelt werden.
In 7 ist veranschaulicht, wie bei einer Masterschaltung 24’ zwei MII-Schnittstellen mittels einer MAC-Komponente 30 und MAC-Komponente 30’ realisiert werden können und auf der anderen Seite zwei Daisy-Chains 38, 38’ aus Slaveschaltungen 26 mittels einer Masterschaltung 24’ betrieben werden können. Hierzu kann die Masterschaltung 24 eine Switch-Engine 86 aufweisen, das heißt eine Switch-Logik, welche anhand von Adressdaten in den Sendedaten und den Empfangsdaten ermittelt, wohin die Daten geleitet werden müssen, also an welche MAC-Komponente 30, 30’ beziehungsweise welche Daisy-Chain 38, 38’. Eine entsprechende Logik für die Switch-Engine 86 ist an sich aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit Switch-Bausteinen, die mehrere MII-Schnittstellen aufweisen, bekannt.
In 8 ist ein möglicher prinzipieller Aufbau der Slaveschaltung 26 von 4 gezeigt. Die Masterschaltung 24 und die Slaveschaltung 26 weisen im Grundaufbau eine hohe Übereinstimmung auf, so dass sie vorteilhaft als ein baugleicher Chip implementiert sein können. Wie 8 zeigt, sind die Clock-Pfeile umgedreht, der Quarz abgekoppelt und der Teiler der MDIO-Clock entfernt. Dies kann z.B. in Abhängigkeit von dem Registerinhalt 58 eingestellt oder gesteuert sein.
Im Folgenden ist erläutert, wie die in 1 bis 8 beispielhaft veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung mittels aus dem Stand der Technik bekannter Schaltungskomponenten realisiert werden können.
Die verfügbare Technologie bzw. die bereits auf PHY und Switch vorhandenen Strukturen für SerDes oder SGMII kann für eine serielle Umsetzung von parallel ausgetauschten MII-Daten genutzt werden. Es kann z.B. die parallele 100MBit-MII-Schnittstelle mit 4 Bit Breite und mit einer 25Mhz Clockrate sowie die zugehörigen Steuer- und Statussignalleitung auf eine serielle Schnittstelle umgesetzt werden.
Wie beschrieben, können die Daten und die Steuerleitungen getrennt voneinander serialisiert werden. So ergibt sich eine MII-Serielles Interface und ein MDIO-Serielles Interface. Als Clock-Frequenz für die MII-Serielle Schnittstelle wird die Clock der Gigabit Schnittstelle angewendet, das sind 1,25Ghz, d.h. es ist um Faktor 10 über den eigentlichen Anforderungen. Sowohl die MII-Serielle Clock als auch die zugehörigen MII-Seriell Daten werden differentiell übertragen um sowohl gegen Störungen immun zu sein, als auch keine Störungen zu erzeugen.
Als Clock für die die MDIO Schnittstelle wird eine Clock von 125 Mhz vorgeschlagen. Die MDIO Daten können bei kurzen Verbindungen noch als einfache Signale mit einfachem Pegelschema (Single-Ended) übertragen werden. Das scheint durch auf kurzen Signalstrecken noch möglich. Ein Übergang zu einem differentiellen Signalschema wie für den Datenpfad ist jedoch möglich, bedeutet jedoch einen Aufwand, insbesondere an Signal Pins. In den heute implementierten Systemen sind Frequenzen von ca. 100Mhz zwar immer wieder kritisch jedoch noch hinreichend beherrschbar bzgl. Signalintegrität und Störaussendung. (z.B. Pixelclock von Kamerasystemen). Die schnelle Frequenz wird jedoch dafür genutzt die Option zu bekommen mehrere Schnittstellen kaskadiert in einem Daisy Chain Verfahren hintereinander zu schalten. Somit können an einem Strang bis zu 4 PHYs betrieben werden.
Für das Daisy Chain Verfahren werden die Bausteine einfach an über TX zu RX miteinander verbunden.
Das vorgeschlagene Interface weist einen Konfiguration Eingang auf, welcher die Funktion bzw. die Anordnung innerhalb der Daisy Chain festlegt.
Ein beispielhaftes Konfigurationsinterface gibt die folgende Tabelle an:

Bit Muster Bedeutung

000 Master

100 PHY 0

101 PHY 1

110 PHY 2

100 PHY 3
Die Darstellung als Master bzw. als PHY kann in einer späteren Implementierung in PHYs entfallen; da PHY im Normalfall die Masterfunktionalität nicht einnehmen werden. Bei Switches kann es jedoch sinnvoll sein, das diese auch über diese Schnittstelle wie gewohnt kaskadiert werden können.
Neben der physikalischen Anordnung und der Konfiguration wird logischer Aufbau angewendet, wie er in 5 veranschaulicht ist. Jeder PHY bekommt seine TX Daten entsprechend seiner Konfiguration im MII-Seriellen Datenpfad und die Steuerdaten auf den MDIO-Seriellen Datenpfad bereit gestellt. Nach der Bereitstellung der TX Daten legt der PHY seine RX Daten auf den MII-Seriellen Datenpfad und die Statusinformationen auf dem MDIO-Seriellen Datenpfad ab. Das wird entsprechend der Konfiguration solange wiederholt bis alle verbauten PHYs adressiert wurden und die Runde beginnt erneut.
Durch die Zusammenführung von TX und RX Daten auf nur einen Datenstrom ergibt sich eine Verdoppelung der Datenrate auf dem seriellen Bus. Ursprünglich war mit 4 Bit a 25 Mhz eine Datenrate von 100 Mbit in TX- und auch in RX-Richtung eines PHYs. In Summe ergibt diese gewählte Anordnung nun eine Datenrate von 200 Mbit auf der MII-Seriell Leitung. Mit dem Faktor 4 ergibt sich damit eine Datenrate von 800MBit. In der Auslegung wird die volle Datenrate von 1250 MBit gewählt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit von Pausen, die zur Synchronisation und Trennung der Datenpakete auf dem MII-Seriellen Bus. Rechnerisch ergibt sich auch die Option weitere PHY einzubinden.
Die Clock für den MDIO-Serielle Bus wird durch Frequenzteiler synchron aus der Clock des MDISeriellen Bus abgeleitet. Ebenso wird die Steuerlogik aus der gleichen Clock-Source getaktet. Die MDIO-CLK Seriell ist eine 125MHz Clock.
Die Zugriffe auf die Daten und den MII-Seriellen-Bus als auch auf den MDIO-Seriellen Bus laufen Synchron zur Clock des treibenden MII-2-Master. Clock-Signale der MII-Schnittstelle wie RX oder TX Clock werden nicht explizit übertragen. Sie können jedoch leicht direkt aus den beiden oben genannten Clock Signale abgleitet werden.
Neben den Registerinhalten die auf der MDIO Schnittstelle standardgemäß definiert sind, werden die in der folgenden Tabelle aufgeführten Hardware-Signale der ursprünglichen MII Schnittstelle übertragen.
Signal
RX Data Valid (RX_DV)
RX Error (RX_ER)
TX Error (TX_ER)
TX Enabel (TX_EN)
Collision (COL)
Carrier Sense (CRS)
Analog des Ablaufs des MII-Datenstroms werden die MDIO Daten erst mit den Daten zum PHY hin übertragen (TX-Richtung; CNTRL); in dem anschließenden Intervall legt der PHY seine relevanten Daten (RX; STAT) auf die MDIO-Serielle Leitung.
Für beide Seriellen Datenbusse ist das gesamte System als Schieberegister Schnittstelle aufgebaut, bei dem die Daten durch die einzelnen Register durchgeschoben werden. Einen wesentlichen Punkt hat hier die Steuerlogik 74 zu erfüllen. Diese muss die Inhalte der Schieberegister zum richtigen Zeitpunkt in parallele Register überführen für die TX Richtung, bzw. dafür sorgen, dass die RX Daten zur richtigen Zeit im Schieberegister stehen.
Der wesentliche Bestandteil sind dabei einfache Zähler welche den Transfer der Dateninhalte taktgenau steuern. Durch die sehr hohe Grundgeschwindigkeit wird für die Transfer Phasen eine Pausenzeit zwischen den einzelnen Kommunikationsrunden d.h. vor der Aktivierung des PHY 0 bzw. nach Abschluss der Aktivierung des PHY 3 ausgewählt. Diese Implementierung hat zur Folge dass nicht die gesamte theoretische Bandbreite genutzt werden kann.
Als weiteres Synchronisationsmittel wird der Umstand angewendet, das die einzelnen Kommunikationsblöcke für MII und MDIO zwar im Grundsatz synchron ablaufen, aber der schnellere MII-Anteil unabhängig vom MDIO Anteil laufen kann. Der Trigger für den Transfer der Schieberegister wird aus der MDIO-Seriell Clock abgeleitet.
Damit entspannen sich sehr deutlich die Aufwendungen für eine Steuerungslogik und die Scheiberegister. Es werden nur an sehr wenigen Stellen – vornehmlich die Schieberegister – die sehr schnelle Logik für 1,25GHz benötigt. Der Rest kann mit der langsameren Clock für die MDIO-Taktleitung gesteuert werden, wie 6 veranschaulicht.
Die Informationen für MDIO werden somit zeitlich entkoppelt und sequentiell mit einem 1/10 der Geschwindigkeit der MII Daten übertragen. In den MDIO Daten sind Kontroll- und Konfigurationsdaten die sich kaum ändern; ebenso sind die Statusinformationen nicht zeitkritisch.
Die Trennung von MDIO Daten und MII Daten ist neben der o.g. Synchronisierung auch deshalb sinnvoll, weil damit die angeschlossenen PHYs auch ohne die schnelle und energieaufwendigere Kommunikation der differentiellen MII-Seriellen Datenübertragung erfolgen kann. Zur weiteren Energie Einsparung kann die MDIO Serielle Kommunikation auch noch völlig unabhängig mit einem deutlich niedrigerer Clock betrieben werden, wenn die Synchronisation mit dem MII Seriellen Strom nicht mehr benötigt wird.
Mit dem gewählten Ansatz kann eine Skalierbare Implementierung vorteilhaft für Anwendungen erreicht werden die sehr viele PHY Schnittstellen benötigen.
Eine bereits etwas komplexere Ausführung zeigt 7. Es ist leicht ersichtlich dass sich das Konzept einfach erweitern lässt.
Vorteilhaft ist auch, dass keine Leistungstreiber im Switch Baustein bzw. Masterbaustein benötigt werden. Diese analogen Teile befinden sich ausschließlich auf dem PHY. Der zusätzliche Aufwand besteht in der Logik für die Steuerung und den schnellen Register für die angewandten Schieberegister zur Umwandlung des parallelen Datenstroms in einen seriellen Datenstrom, so wie der schnelle 1,25Ghz Clock. Das ist nur der Aufwand, nicht die Technologie selbst, denn die ist bereits heute in den modernen Switches für Gigabit vorhanden und wird problemlos angewendet. Vorteilhaft ist auch, dass z.B. Bausteine wie Gatearrays und programmierbare Logikbaustein sowohl die Fähigkeit haben, die komplexe Logik eines Ethernet-Switch zu realisieren, als auch oftmals differentielle I/O Datenleitungen als Hardwired-Funktion bereitstellen. Diese werden für die bereits genannten SerDes Verbindungen, als auch für DDR-2/3 DRAM Interfaces als auch für SATA Interfaces der Konsumerelektronik eingesetzt. Durch diesen Ansatz können daher programmierbare Bausteine wie Gatearrays vorteilhaft als Switchbausteine angewendet werden. Die notwendigen analogen Eigenschaften der PHYs im Hinblick auf das Frontend fallen weg, denn diese werden in den ausgelagerten PHYs mit der dort angewendeten Schaltungstechnologie realisiert. Die Problemstellungen wie viele Ports ein Switch braucht reduziert sich damit auf die Frage nach der Größe der verfügbaren programmierbaren Baustein und der aneinander Reihung der verfügbaren PHY Komponenten an dem beschriebenen MII-Seriellen und MDIO-Seriellen Busse.
Im obigen Beispiel ist schnell ersichtlich, das eine Skalierung direkt mit der Anzahl der PHYs erfolgen kann und der Vorhalt im Switch die Anzahl der Pins für die Anzahl der jeweiligen Seriellen Anbindungen ist. Auch ist vorteilhaft, dass in der gewählten Auslegung 9 Pins für eine MII Schnittstelle benötigt werden, für die Standardanbindung jedoch ca. 19 Pins pro MII Schnittstelle nötig sind. Dieser Vorteil gilt nicht nur bei Switches sondern letztlich auch bei PHY Bausteine. Die können bei konsequenter Umsetzung mit weniger Pins auskommen und bleiben dennoch flexibel einsetzbar. Analog gilt dieses Einsparpotential auch bei Mikrocontroller, denn langfristig könnte sich das heute standardisierte MII Interface durch die Serielle Variante abgelöst werden. Vorteilhaft ist auch das sich der Vorschlag heute bereits kompatibel mit den vorhanden Technologien einsetzen lässt. Hier ist auf den Umstand verwiesen, dass die MII Schnittstellen bereits heute die Pins mit der SGMII oder SerDes Schnittstelle als Alternativ Funktion teilen. Ein weiterer Vorteil ist das die Verlustleistung der PHY nun direkt an den PHYs entsteht und entsprechend der Skalierung und Platzierung abgeführt werden kann. Bei einem konventionellen Switchkonzept muss die Verlustleistung am Switch selbst abgeführt werden. Bei der Integration in ein einzelnes Gehäuse ist die Verlustleistung heute eine der bestehenden Limitationen.
Insgesamt zeigen die Beispiele eine Umsetzung der Standard-MII-Schnittstelle auf ein serielles Protokoll. Damit lassen sich die Bausteine in einer Daisy-Chain kaskadieren. Damit kann die Anzahl der benötigten Ports einfach angepasst werden. Die nötigen Technologien sind bereits auf den Chips im Grund vorhanden und müssen mit wenigen Erweiterungen anders angeordnet werden.
Es ergibt sich eine Option für eine skalierbare Switch-Implementierung. Die Verlustleistung wird auf Switch und PHY-Bausteine verteilt. Der Vorhalt für die Erweiterung verringert sich von 19 Pins für einen zusätzlichen PHY auf 9 Pins für bis zu 4 PHYs. Die Switch Implementierung kann z.B. mit Gatearrays erfolgen.
Die Erfindung bietet somit eine skalierbare, serielle MII-Anbindung von Medienanschlüssen an eine MII-Schnittstelle.

Claims

Anschlussvorrichtung (22) für ein Ethernet-Kommunikationsnetzwerk (12) eines Kraftfahrzeugs (10), aufweisend: – eine Masterschaltung (24), die eine MII-Schnittstelle aufweist, die dazu ausgelegt ist, mit einer Komponente (28) einer im ISO-OSI-Referenzmodell übergeordneten MAC-Netzwerkschicht zu kommunizieren, und – mehrere Slaveschaltungen (26), von denen jede einen Medienanschluss (76’) zum Anschließen einer jeweiligen Netzwerkleitung (18) des Ethernet-Kommunikationsnetzwerks (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Slaveschaltungen (26) über eine gemeinsame Sendeleitung (52) an die Masterschaltung (24) angeschlossen sind, wobei ein Multiplexer (64) der Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, an der MII-Schnittstelle empfangene Sendedaten mittels eines Zeitmultiplexverfahrens über die Sendeleitung (52) auszugeben, und/oder die Slaveschaltungen (26) über eine gemeinsame Empfangsleitung (54) an die Masterschaltung (24) angeschlossen sind, wobei ein Demultiplexer (64) der Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, über die Empfangsleitung (54) empfangene Empfangsdaten mittels eines Zeitdemultiplexverfahrens nacheinander an der MII-Schnittstelle auszugeben.
Anschlussvorrichtung (22) nach Anspruch 1, wobei die Sendeleitung (52) eine serielle Sendeleitung (52) und/oder die Empfangsleitung (54) eine serielle Empfangsleitung (54) ist.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl die Sendeleitung (52) als auch die Empfangsleitung (54) bereitgestellt sind und die Sendeleitung (52) und die Empfangsleitung (54) durch einen seriellen Kommunikationsbus bereitgestellt sind, wobei jede Slaveschaltung (26) dazu ausgelegt ist, zum Empfangen von an ihrem Medienanschluss (76’) auszusendenden Sendedaten und zum Weiterleiten von an ihrem Medienanschluss (76’) empfangenen Empfangsdaten über den Kommunikationsbus ein Zeitmultiplexing durchzuführen.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Slaveschaltungen (26) untereinander über eine jeweilige Kommunikationsleitung (60) als eine Daisy-Chain (38) verschaltet sind und die erste Slaveschaltung (26) in der Daisy-Chain (38) mit der Sendeleitung (52) und/oder die letzte Slaveschaltung (26) in der Daisy-Chain (38) mit der Empfangsleitung (54) verbunden ist.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die MII-Schnittstelle eine parallele Schnittstelle ist und Masterschaltung (24) eine SerDes-Schaltung (64) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die über die MII-Schnittstelle empfangenen Sendedaten seriell über die Sendeleitung (52) und/oder seriell über die Empfangsleitung (54) empfangene Empfangsdaten parallel an der MII-Schnittstelle auszugeben.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Slaveschaltung (26) jeweils eine eigene Slave-SerDes-Schaltung (80) und einen PHY-Baustein (76) mit einer parallelen MII-Schnittstelle und dem jeweiligen Medienanschluss (76’) aufweist.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Masterschaltung (24) über eine MII-Taktleitung (44) oder eine MDIO-Taktleitung (50) jeder Slaveschaltung (26) Taktzyklen (84, 84’) vorzugeben ausgelegt ist und jede Slaveschaltung (26) dazu ausgelegt ist, die Taktzyklen (84, 84’) mit einem Zähler zu zählen und nur falls der aktuelle Zählerstand des Zählers ein vorbestimmtes Identifikationskriterium erfüllt, die über die Sendeleitung (52) empfangenen Sendedaten an ihrem Medienanschluss (76’) auszugeben und/oder die über ihren Medienanschluss (76’) empfangenen Empfangsdaten über die Empfangsleitung (54) an die Masterschaltung (24) zu senden.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Slaveschaltung (26) ein eigenes, individuell einstellbar ausgestaltetes Identifikationsregister (56) aufweist und dazu ausgelegt ist, Koppelzeitpunkte zum Ankoppeln und/oder Abkoppeln des Medienanschlusses (76’) von der Sendeleitung (52) und/oder der Empfangsleitung (54) in Abhängigkeit von einem Registerinhalt (58) des Identifikationsregisters (56) einzustellen.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Masterschaltung (24) und die Slaveschaltungen (26) über eine gemeinsame, von der Sendeleitung (52) und der Empfangsleitung (54) verschiedene Steuerleitung (46) verbunden sind und die Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, über die Steuerleitung (46) MDIO-Steuerdaten an die Slaveschaltungen (26) auszusenden, und/oder wobei die Masterschaltung (24) und die Slaveschaltungen (26) über eine gemeinsame, von der Sendeleitung (52) und der Empfangsleitung (54) verschiedene Statusleitung (48) verbunden sind und die Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, über die Statusleitung (58) MDIO-Statusdaten von den Slaveschaltungen (26) zu empfangen.
Anschlussvorrichtung (22) nach Anspruch 9, wobei die Masterschaltung (24) dazu ausgelegt ist, einen Takt einer MDIO-Taktleitung (50) für die Steuerleitung (46) und/oder für die Statusleitung (48) über eine Teilerschaltung (72) aus einem Takt für die Sendeleitung (52) und/oder die Empfangsleitung (54) abzuleiten.
Anschlussvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Masterschaltung (24) zumindest einen zusätzlichen Anschlussbereich mit einer jeweiligen zusätzlichen Sendeleitung und/oder einer jeweiligen zusätzlichen Empfangsleitung aufweist und an jeden zusätzlichen Anschlussbereich jeweils mehrere zusätzliche Slaveschaltungen (26) angeschlossen sind, die untereinander über eine jeweilige Kommunikationsleitung als eine Daisy-Chain (38’) verschaltet sind und bei denen die erste Slaveschaltung (26) der Daisy-Chain (38’) mit der jeweiligen zusätzlichen Sendeleitung und/oder die letzte Slaveschaltung (26) der Daisy-Chain (38’) mit der jeweiligen zusätzlichen Empfangsleitung verbunden ist.
Switchvorrichtung (14) für ein Ethernet-Kommunikationsnetzwerk (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit – einer Steuereinheit (20), die dazu ausgelegt ist, zumindest eine Funktion einer MAC-Netzwerkschicht gemäß dem ISO-OSI-Referenzmodell bereitzustellen, und – einer Anschlussvorrichtung (22) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit der Steuereinheit (20) über die MII-Schnittstelle verbunden ist.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Switchvorrichtung (14) nach Anspruch 12.
Verfahren zum Betreiben einer Switchvorrichtung (14) nach Anspruch 12, indem für jede Slaveschaltung (26) ein eigenes Zeitintervall (82) festgelegt wird und jede Slaveschaltung (26) nur in ihrem eigenen Zeitintervall Sendedaten aus der Sendeleitung (52) an ihren Medienanschluss (76’) und/oder Empfangsdaten von ihrem Medienanschluss (76’) in die Empfangsleitung (54) überträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Sendedaten für jede Slaveschaltung über die MII-Schnittstelle synchron zum Multiplexing übergeben werden und/oder die Empfangsdaten über die MII-Schnittstelle synchron zum Multiplexing ausgelesen werden.