EthTrcv — Master/Slave-Konfiguration bei 100BASE-T1

Der Hardware Deep Dive dieser Serie hat es bereits gezeigt: 100BASE-T1 überträgt Senden und Empfangen gleichzeitig auf demselben verdrillten Aderpaar.

Bei 100BASE-TX ist die Sache klar: Jede Seite hat ihr eigenes Sendepaar mit eigenem Takt. Es gibt keine Notwendigkeit, sich auf einen gemeinsamen Zeitgeber zu einigen — jede Seite sendet einfach mit ihrem eigenen, freilaufenden Oszillator.

Bei 100BASE-T1 funktioniert das nicht. Weil beide Seiten gleichzeitig auf demselben Paar senden und empfangen, muss der PHY das eigene Sendesignal vom Empfangssignal trennen — per Echo-Cancellation, wie im Hardware-Post beschrieben. Diese Echo-Cancellation ist ein adaptives digitales Filter, und adaptive Filter funktionieren nur zuverlässig, wenn Sender und Empfänger auf derselben Taktfrequenz laufen.

Zwei unabhängige, freilaufende Quarze auf beiden Seiten der Leitung driften zwangsläufig minimal auseinander — selbst bei enger Toleranz (z. B. ±50 ppm). Für eine unidirektionale Leitung wie bei 100BASE-TX ist das unproblematisch, weil jede Übertragungsrichtung ihren eigenen Taktkreis hat. Bei 100BASE-T1 würde dieser Frequenzunterschied jedoch das Echo-Cancellation-Filter systematisch stören: Das Filter geht implizit davon aus, dass das eigene Sendesignal exakt mit der gleichen Frequenz läuft wie das, was es aus dem Empfangssignal herausrechnen soll.

Die Lösung: Eine Seite der Verbindung — der Master — erzeugt den Übertragungstakt aus einem eigenen, freilaufenden Quarzoszillator. Die andere Seite — der Slave — synchronisiert sich auf diesen Takt, indem sie ihn aus dem empfangenen Signal zurückgewinnt (Clock Recovery) und denselben, zurückgewonnenen Takt auch für die eigene Sendeseite verwendet (Loop-Timing).

Ohne diese Rollenverteilung müsste jeder PHY ständig eine Frequenzdifferenz zum Partner ausgleichen. Das äußert sich in der Praxis als Elastic-Buffer- Über- oder Unterlauf (Pufferspeicher zum Taktausgleich läuft voll oder leer) und als schlechtere Performance des Echo-Cancellation-Filters — im schlimmsten Fall ein Link, der zwar kurz aufbaut, dann aber sporadisch wieder abreißt.

Jedes 100BASE-T1-Segment verbindet exakt zwei Teilnehmer: einen Master und einen Slave. Es gibt bei 100BASE-T1 kein Multidrop-Segment und keinen gemeinsam genutzten Bus mit mehreren Teilnehmern — anders als bei klassischem 10BASE-T-Koax oder CAN. Jede physische Verbindung ist strikt Punkt-zu-Punkt.

Weil ein einzelnes Segment nur zwei Teilnehmer kennt, entstehen größere Fahrzeugnetzwerke ausschließlich durch Aneinanderreihung von Punkt-zu-Punkt-Segmenten über Switches (EthSwt). Das Ergebnis ist netzwerktopologisch meist eine Sterntopologie um einen zentralen Switch oder ein Gateway, gelegentlich auch mehrstufig (Baum-Topologie über mehrere kaskadierte Switches).

Jedes einzelne Segment (Switch-Port zu Endgerät) ist für sich genommen eine gewöhnliche Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit fester Master/Slave-Zuordnung — die Sterntopologie entsteht erst durch die Anzahl der Switch-Ports, nicht durch eine Eigenschaft von 100BASE-T1 selbst.

Wie im Hardware Deep Dive beschrieben, läuft die PHY-Konfiguration über den MDIO-Bus. Die Master/Slave-Rolle ist dabei kein Sonderfall — sie ist schlicht ein weiteres Bit oder Registerfeld, das EthTrcv_Init beim Hochfahren des PHYs setzt.

Wichtig dabei: Diese Konfiguration ist beim 100BASE-T1-PHY statisch — sie wird beim Init einmal geschrieben und bleibt für die Lebensdauer des Links unverändert. Es gibt (anders als bei manchen Kupfer-Gigabit-PHYs, siehe weiter unten) keinen Verhandlungsmechanismus, der zur Laufzeit etwas an dieser Konfiguration ändert.

Der TJA1100 (100BASE-T1, RMII-Interface) ist einer der am weitesten verbreiteten 100BASE-T1-PHYs im Feld. Die Master/Slave-Rolle lässt sich auf zwei Wegen setzen:

Der BCM89810 ist ein weiterer verbreiteter 100BASE-T1-PHY, ebenfalls mit RMII-Interface auf der MAC-Seite. Das Grundprinzip ist identisch zum TJA1100: Ein dediziertes Konfigurationsbit im Register-Space steuert die Rolle, mit einer per Hardware-Pin gesetzten Default-Einstellung, die per MDIO überschrieben werden kann.

Ein Detail, das vielen nicht geläufig ist: Der AUTOSAR-Standard definiert für den generischen EthTrcv-Konfigurationscontainer sehr wohl einen einheitlichen Parameter für die Verbindungsaushandlung (und damit auch die Master/Slave-Rolle) bei 100BASE-T1 — EthTrcvConnNeg ([ECUC_EthTrcv_00025]). Er ist im Container EthTrcvConfig verortet, direkt neben Parametern wie EthTrcvDuplexMode oder EthTrcvSpeed, und als EcucEnumerationParamDef mit folgenden Literalen spezifiziert:

Die Spezifikation vermerkt außerdem eine wichtige Abhängigkeit: Ist EthTrcvEnablePLCA = TRUE, muss EthTrcvConnNeg auf TRCV_CONN_NEG_NONE gesetzt sein. Ist stattdessen EthTrcvPhysLayerType auf TRCV_PHYS_LAYER_TYPE_10BASE_T1S konfiguriert und PLCA nicht aktiviert, muss EthTrcvConnNeg explizit als Master oder Slave konfiguriert werden — denn 10BASE-T1S kann sowohl mit PLCA als auch mit klassischem CSMA/CD-Medienzugriff betrieben werden. Für 100BASE-T1 (ohne PLCA) bleiben ausschließlich TRCV_CONN_NEG_MASTER und TRCV_CONN_NEG_SLAVE relevant.

Ein vereinfachtes, aber realistisches Beispiel, wie der Standardparameter im ARXML gesetzt wird:

Der Parametername (EthTrcvConnNeg) sowie der Enum-Wertebereich (TRCV_CONN_NEG_MASTER / TRCV_CONN_NEG_SLAVE / TRCV_CONN_NEG_AUTO / TRCV_CONN_NEG_NONE) sind im AUTOSAR-Standarddokument selbst festgelegt ([ECUC_EthTrcv_00025]) — kein Vendor-spezifisches Detail, sondern EthTrcv-Basismodell.

Bei klassischem 1000BASE-T (Kupfer, IEEE 802.3ab, Clause 40) wird die Master/Slave-Rolle standardmäßig per Auto-Negotiation ausgehandelt: Beide Seiten tauschen Fähigkeiten aus, und ein definierter Resolve-Algorithmus entscheidet, wer Master und wer Slave wird — mit der Möglichkeit, eine Seite manuell auf eine feste Rolle zu zwingen (Master-Slave Manual Config Enable).

100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) hat dieses Konzept nicht. Es gibt keinen Auto-Negotiation-Mechanismus, der die Rolle zur Laufzeit aushandelt. Die Rolle wird ausschließlich statisch konfiguriert — per Pin-Strapping und/oder per Software-Override über MDIO, wie oben beschrieben.

Auf den ersten Blick wirkt das Fehlen von Auto-Negotiation wie ein Rückschritt. Für den automotiven Einsatzzweck ist es aber eine bewusste Design-Entscheidung mit klaren Vorteilen:

Wenn beide Enden eines 100BASE-T1-Segments auf Master konfiguriert sind (oder beide auf Slave), kommt schlicht kein Link zustande. Es gibt kein Fehlersignal, keine Fehlermeldung im klassischen Sinn — der PHY meldet lediglich dauerhaft „kein Link", exakt wie bei einem gebrochenen Kabel oder einer fehlenden Spannungsversorgung.

Genau diese Symptomatik — „alles andere passt, aber kein Link" — macht den Fehler tückisch: Kabel, Steckverbinder, Spannungsversorgung und sogar die MDIO-Kommunikation zum PHY selbst funktionieren einwandfrei, weil die Master/Slave-Konfiguration selbst erfolgreich über MDIO geschrieben wurde. Es ist nur der falsche Wert.