Ethernet-Interoperabilität Board-to-Board-Anbindung in ATCA, AMC & MicroTCA-Anwendungen

Autor / Redakteur: Gene Juknevicius* / Holger Heller

Die AdvancedTCA-, AdvancedMC- und MicroTCA-Spezifikationen basieren auf seriellen Interconnect-Technologien wie PCI Express, Ethernet, SATA, SAS, InfiniBand und Serial Rapid IO. Obwohl Ethernet fest etabliert ist, beeinträchtigen eine Reihe von Designparametern die Interoperabilität innerhalb des Ecosystems. SGMII- und SerDes-Schnittstellen sind ähnlich aufgebaut und können daher falsch angewendet werden. Die Ethernet-Autonegotiation- und manuellen Link-Konfigurationseinstellungen spielen bei Verlinkung zweier Ethernet-Geräte daher eine wichtige Rolle.

AMC-Modul Telum TSPE01 mit MPC7447A-PowerPC-Prozessor
AMC-Modul Telum TSPE01 mit MPC7447A-PowerPC-Prozessor
( Archiv: Vogel Business Media )

Um Ethernet für die Board-zu-Board-Anbindung einzusetzen, erweiterte das PICMG-Komitee bestimmte IEEE-Spezifikationen um zusätzliche elektrische Anforderungen. Da die meisten PICMG-Spezifikationen keine Autonegotiation berücksichtigen, muss gewährleistet sein, wo und wie diese Funktionalität näher spezifiziert und wie sie in ATCA-, AMC- und µTCA-Produkten angewendet wird.

Ethernet-Standards werden über die IEEE-Organisation festgelegt. Zu den hier relevanten Standards zählt die IEEE-802.3-Spezifikation zur Definition der Media-Access-Control-(MAC-) und Physical-Layer-(PHY-)Funktion. Sie ist so strukturiert, dass die MAC-Funktion konstant bleibt, während PHY-Funktionen abhängig vom verwendeten Medium veränderbar sind. Bild 1 verdeutlich die Beziehung zwischen diesen Funktionsebenen.

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Die Anzahl verfügbarer PHYs ist groß: 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 100BASE-FX, 1000BASE-SX und die 10GBASE-X-Familie kommen heute zum Einsatz.

Bestimmte Interconnect-Technologie ist vorausgesetzt

Bei ATCA, AMC und µTCA ist das Signalübermittlungsmedium ein Teil der Modul-Leiterplatte oder eine Backplane, die mehrere Module miteinander verbindet. Dieses Modell setzt eine bestimmte Interconnect-Technologie voraus:

  • Abstand zwischen Endpunkten sehr kurz, meist weniger als 1 m;
  • Anzahl der Anschluss-Pins im Steckverbinder, mit dem ein Modul an die Backplane angeschlossen wird, ist gering;
  • Isolierung für Signale, die innerhalb der Anwendung bleiben, ist nicht erforderlich;
  • Kompatibilität zur installierten Basis ist nicht erforderlich.

Durch diese eindeutigen Anforderungen sind PHYs für den Betrieb über ein Twisted-Pair-Medium nicht geeignet. Um sie zu adressieren, definierte das PICMG-Komitee zwei neue PHY-Optionen: 1000BASE-BX und 10GBASEBX4. 1000BASE-BX verwendet zwei differenzielle Paare mit 1,25 Gbaud (ein Paar für Senden und ein Paar für Empfangen). 10GBASE-BX4 verwendet acht differenzielle Paare (vier für Senden und vier für Empfangen), jedes mit 3,125 GBaud. 1000BASE-BX und 10GBASE-BX4 kommen bei ATCA, AMC und µTCA zum Einsatz.

Die IEEE-802.3ap-Spezifikation befindet sich gerade in der Definitionsphase. Sie definiert 1- und 10-GBit/s-Ethernet über Backplanes (1000BASE-KX und 10GBASE-KX4) sowie Autonegotiation zwischen beiden PHYs. Die Spezifikation befördert die Autonegotiation auf die nächsthöhere Ebene und erlaubt somit Dynamic Negotation und die Wahl zwischen 1- und 10-GBit/s-PHYs.

1000BASE-BX im Überblick

Der 1000BASE-BX PHY basiert auf der 1000BASE-X-Definition. Bild 2 verdeutlicht die Ethernet-Ebenen und den Ursprung von 1000BASE-BX. 1000BASE-BX war, wie in der PICMG-3.1-Spezifikation definiert, eine SerDes-Schnittstelle zur Anbindung des Physical Medium Attachment (PMA) an Glasfaser-Transceiver. Aus elektrischer Sicht ähnelt die SGMII-Schnittstelle der SerDes-Schnittstelle. Beide verwenden 8B/10B-Kodierung, eine serielle Schnittstelle und einen internen Takt. Bild 2 verdeutlicht, dass sich die beiden Schnittstellen an unterschiedlichen Orten innerhalb des Ethernet Stack befinden und daher nicht verlagert werden können.

Der 10GBASE-BX4 PHY basiert auf der Spezifikation der 10GBASE-X 10 Gigabit Attachment Unit (XAUI). XAUI unterstützt eine 10-GBaud-Datenübertragung über vier differenzielle Signalpaare sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung. Bild 3 zeigt die XAUI-Lage im Ethernet Stack. Bild 3 stellt die Sublayer per IEEE-Spezifikation dar. Der obere XGXS Sublayer wurde so entwickelt, dass Physical-Coding-Sublayer-(PCS-) und PMA-Funktionen ausgeführt werden können. XAUI wird dann direkt an den Glasfaser-Transceiver (10GBASELX4) angeschlossen, womit für den Ethernet Stack die Positionierung von SerDes und XAUI gleich ist.

Ethernet-Autonegotiation-Funktion

Die Ethernet Autonegotiation wird in der IEEE-802.3-Spezifikation definiert. Sie ermöglicht eine dynamische Wahl sich sonst widersprüchlicher Leistungsmerkmale. Bei der Veröffentlichung der PICMG-3.1-Spezifikation definierte die IEEE kein Ethernet over Backplanes und die dazugehörige Autonegotiation. Die PICMG beschloss die 1000BASE-X-Definition und zusätzliche elektrische Anforderungen und nahm Autonegotiation nach Definition für 1000BASE-X auf.

Die 1000BASE-X Autonegotiation erlaubt Geräten die dynamische Wahl folgender Optionen:

  • Duplex (Halbduplex, Vollduplex),
  • Flow Control (symmetrische Pause, asymmetrische Pause, keine Flow Control),
  • Anzeige ausgefallener Partner,
  • Austausch der Statusinformation.

Unterschiedliche Medien verwenden unterschiedliche Messaging-Methoden zum Austausch der Autonegotiation-Information. 1000BASE-X tauscht diese Information innerhalb des Bandes über /C/-bezogene Sets aus, die für 8B/10B-Kodierung definiert sind. Da 1000BASEBX nur eine Datenrate von 1 GBit/s unterstützt, ist eine Negotiation nicht möglich. Andere Merkmale können aber mit einem Link-Partner ausgetauscht und verhandelt werden. Während der Autonegotiation tauschen zwei miteinander verbundene Geräte Ability Records aus und wählen dann auf der Basis des Prioritätsschemas die größte gemeinsame Vielfache aus.

Empfohlene Autonegotiation-Einstellungen für ATCA, AMC und µTCA

Die IEEE-Spezifikation definiert Maßnahmen zur Abschaltung der Autonegotiation und zur manuellen Konfiguration der Link-Parameter Geschwindigkeit, Duplex und Flow Control. Genau hier treten die meisten Interoperabilitätsaktivitäten auf. Zu beachten ist, dass bei einem Gerät, das die Autonegotiation deaktiviert, auch der Link-Partner diese Funktion deaktivieren muss. Das Abschalten der Autonegotiation auf nur einer Seite verhindert die Link-Bildung.

Da die PICMG-Spezifikation keinen Hinweis darauf gibt, die 1000BASE-X Autonegotiation zu deaktivieren oder nicht, sind die Anbieter frei in dieser Entscheidung. Wird die Autonegotiation deaktiviert, müssen zumindest manuelle Link-Einstellungen wie Flow Control vereinbart werden. Manuelle Einstellungen sind im aktuellen Standard nicht erfasst; die IEEE-Spezifikation empfiehlt die aktivierte Autonegotiation.

Autonegotiation bietet eine einfache Art, die gewünschte Link-Konfiguration zu erhalten: eine Kontrolle der an den Kommunikationspartner übermittelten Leistungsmerkmale ist damit möglich. Wird ein Standardgerät für 1000BASE-BX verwendet, kann der PHY mehrere Geschwindigkeitsoptionen unterstützen.

Da bei 1000BASE-BX nur 1000 MBit/s Datenrate möglich ist, sollten die anderen Geschwindigkeitsoptionen im Autonegotiation Advertisement Register deaktiviert werden. Damit lässt sich Autonegotiation anwenden und gleichzeitig sicherstellen, das nur mit dem unterstützten Betriebsmodus verhandelt wird.

Speziell für 1000BASE-BX, das bei ATCA, AMC und µTCA zum Einsatz kommt, sollten die folgenden Parameter im Autonegotiation Advertisement Register eingeschaltet sein: nur 1000 MBit/s Geschwindigkeit, nur Vollduplexbetrieb und Unterstützung von Flow-Control-Optionen.

GE Fanuc Embedded Systems, Tel. +49(0)821 50340

*Gene Juknevicius ist Technologe bei GE Fanuc Embedded Systems, Albuquerque, New Mexico.

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