10BASE-T1L MAC-PHY元件如何簡化低功耗處理器的乙太網路連結

作者：ADI 策略行銷經理Maurice O'Brien 及系統應用工程師 Volker E. Goller

介紹

本文探討如何運用10BASE-T1L MAC-PHY元件連結日漸增多的低功耗現場或邊緣裝置。另外還要詳述選用MAC-PHY或10BASE-T1L PHY元件的時機，以及這些系統如何因應未來乙太網路聯網製造與建築環境的需求。

背景

由於各界需要將更多裝置連上乙太網路，促使包括Ethernet-APL在內的各種單對 Ethernet 10BASE-T1L 使用情境持續擴展至製程、工作、以及建築自動化應用。隨著越來越多裝置連至網路，更多元的資料集可供給更高層級的管理系統，不僅使得生產力提升，營運成本與消耗能源也持續降低。現場或邊緣的乙太網路其發展願景是將所有感測器與制動器連至匯整至IT/OT網路。想要達成這項願景，須克服許多系統工程難題，背後原因就是這些感測器面臨供電與空間方面的限制。隨著感測器與制動器應用的內部記憶體功能明顯提升，促使低功耗與超低功耗微控制器的市場不斷成長。上述處理器大多數都有一個共同點 – 就是沒有內建乙太網路MAC，而且不支援MII、RMII、或RGMII 媒體獨立 (Ethernet) 介面。因此傳統實體層元件無法連到這些處理器。

為何採用10BASE-T1L MAC-PHY

為讓越來越多低功耗裝置具備長距離乙太網路連結功能，就需要用到 10BASE-T1L MAC-PHY。透過10BASE-T1L MAC-PHY複合元件，系統就可透過SPI提供乙太網路連結功能，省去處理器整合MAC元件的需求。因為MAC功能已直接整合在10BASE-T1L PHY元件中。10BASE-T1L MAC-PHY提供的裝置架構能提升彈性與選擇的多元性，可自由選用眾多超低功耗處理器。藉由應用拆分(application partitioning)的方式，10BASE-T1L MAC-PHY透過在流程型製造業中被稱為Ethernet-APL的高可靠性技術為危險度最高的Zone 0本質安全部署環境實現低功耗現場裝置。在智慧建築應用中，MAC-PHY元件讓更多低功耗裝置能連至乙太網路，而其範圍則涵蓋HVAC空調系統、防火安全系統、門禁控管、IP攝影機、電梯系統、以及狀態監測。

10BASE-T1L MAC-PHY 進階封包過濾

運用10BASE-T1L PHY整合MAC功能帶來許多新的機制，用來優化網路上的乙太網路流量。具備進階封包過濾功能的10BASE-T1L MAC-PHY 不僅能大幅降低在處理廣播與群播流量的負擔，還能讓處理器免去處理這方面任務騰出更多資源。根據目的地MAC位址進行過濾是重要的關鍵。不光只用單一MAC位址，MAC-PHY能支援最多使用16個單播或群播MAC位址進行過濾。此外，網址遮罩(address masking)機制支援兩個MAC位址。這帶來更高的自由度，可過濾裝置位址以及廣泛支援的群播位址，像是LLDP(鏈路層發現協定)。藉由為更高優先順序支援額外的佇列，即可對某些特定訊息排定優先順序，進而改善延遲與穩健性。訊框的優先順序可從MAC過濾表中查知。舉例來說，廣播訊息可送至低較低優先順序的佇列，而單播訊息則送至較高優先順序的佇列，藉以避免接收端在廣播風暴或流量突增時發生過載狀況。這些MAC-PHY過濾功能促成了網路負載穩健(netload robust)的裝置。另外訊框統計數據也是由MAC所產生，用來協助監視網路流量以及鏈路的品質(如圖1所示)。

MAC-PHY中的MAC亦支援IEEE1588協定，因此能支援流程自動化所需的802.1AS時間同步。MAC-PHY提供包括支援同步計數器、接收訊息時戳、以及傳送訊息時戳擷取等功能。這樣的能力大幅降低軟體設計的複雜度，因為不需要進一步的硬體支援去建置MAC-PHY以外的時間同步化機制。MAC能產生一個輸出波形和同步計數器進行時序同步，可用來未來外部應用層級作業進行同步化。SPI介面支援Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY 串列介面。Open Alliance SPI是一種新型高效率SPI協定，專門設計用來和MAC-PHY搭配使用。

何時該使用10BASE-T1L MAC-PHY 與10BASE-T1L PHY

10BASE-T1L PHY 與10BASE-T1L MAC-PHY在各種不同使用情境帶來明顯優勢。在著重功耗的應用中，10BASE-T1L MAC-PHY促成許多低功耗系統，其提供更多彈性，讓廠商自由選擇主控端處理器，包括沒有內建MAC的超低功耗處理器。當現有裝置升級加入乙太網路連結功能時，10BASE-T1L MAC-PHY提供一個途徑，可重複使用現有處理器以及透過SPI埠加入乙太網路連結功能，藉由整合式MAC省去轉移至大型處理器的需求。

在一些高效能應用方面，現場或邊緣裝置需要的高效能處理器可能已內建MAC，此時配備MII、RMII、RGMII MAC介面的10BASE-T1L PHY 就能讓業者快速開發10BASE-T1L PHY元件。方法就是重複使用現有的MAC介面驅動器來增加乙太網路連網功能。(如圖2所示)。

提高未來乙太網路連網流程環境的彈性

隨著10BASE-T1L PHYs(ADIN1100) 與10BASE-T1L MAC-PHYs (ADIN1110)的推出，裝置工程師現在有更多的彈性去因應未來乙太網路連網製造的需求。超低功耗裝置與高效能裝置能部署在同一格乙太網路，同時符合危險區域使用情境嚴苛的最高電力限制。10BASE-T1L電源開關與10BASE-T1L 現場交換設備(field switche)需要強固的10BASE-T1L PHY元件，搭配工業乙太網路開關部署在骨幹與分支網路拓撲，透過一條雙絞纜線傳送電力與數據，並涵蓋各種危險區域的使用情境。 現場裝置連結需要10BASE-T1L PHY 與10BASE-T1L MAC-PHY能夠透過乙太網路連至各種現場裝置。更高供電的現場裝置，包括流量計，將會使用高效能處理器，其內部整合帶有10BASE-T1L PHY的MAC。較低功耗的現場裝置，像是內含超低功耗處理器但沒有內建MAC的溫度感測器，則會採用10BASE-T1L MAC-PHY透過SPI介面連至處理器並支援乙太網路連網(如圖3所示)。

比較10BASE-T1L PHY 與10BASE-T1L MAC-PHY 關鍵功能

ADIN1110此款 ADI旗下的10BASE-T1L MAC-PHY元件支援乙太網路連網，透過SPI介面連至host處理器，功耗僅42 mW。ADIN1110 支援Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY串列介面，支援全雙工SPI通訊，時脈速度最高可達到25 MHz。ADIN1100此款ADI的10BASE-T1L PHY元件支援低功耗乙太網路連網，透過 MII、RMII、RGMII MAC 介面連至host處理器，功耗僅 39 mW – 參見表1 比較 ADIN1100 10BASE-T1L PHY 與ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY。兩款產品都基於 10BASE-T1L 核心功能，具備全雙工、DC平衡、點對點通訊機制，7.5 MBd符率4B3T編碼PAM 3調變。10BASE-T1L支援兩種振幅模式:2.4 V峰對峰，支援最長1000 m纜線; 以及1.0 V峰對峰，傳輸距離較短。1.0 V峰對峰振幅模式表示此種新實體層技術也能用在各種防爆(Ex-proof)系統環境，符合嚴苛的最高能源限制。

總結

10 Mb 乙太網路實體層 (10BASE-T1L) 結合電力傳輸(Engineered Power工程化電源/PoDL/SPoE)技術，透過兩條纜線支援最長1 km的傳輸距離，將促成許多新型態的乙太網路聯網裝置透過經轉換(converted)的IT/OT乙太網路發揮更高的可存取性，並產生更高價值的洞察。這些新洞察不僅將催生出更高的生產力，還能降低製程與工廠自動化應用的能源消耗。在建築自動化應用方面，這些洞察將造就出更上一層樓的能源效率、安全性、以及舒適性。因此，10BASE-T1L MAC-PHY將加快低功耗裝置的上市時程。

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