SMSC LAN8700 Datasheet

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1 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください 最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います Microchip 社 Ethernet コントローラ スイッチ EtherCAT コントローラのトランスレスアプリケーション Author: Kansal Mariam Banu Shaick Ibrahim Microchip Technology Inc. はじめに Microchip 社は次世代型の Ethernet スイッチ 産業用 EtherCAT コントローラ 産業用 10/100 Ethernet MAC/PHY コントローラをサポートするための設計ソリューションを提供しています Ethernet スイッチ製品には ホストバスと MII という 2 つのカテゴリがあります ホストバスバージョンはスイッチ構造に備わるフル機能 Ethernet MAC をサポートします 非ホストバスバージョンは 1 および 2 ポートの各種方式 (MII, RMII, Turbo MII) をサポートします 以下の表に 各種製品を示します 製品番号 説明 LAN9250 産業用 10/100 Ethernet コントローラ & PHY LAN9252 2/3 ポート EtherCAT スレーブコントローラ ( 内蔵 Ethernet PHY) LAN /100 2 ポートマネージド Ethernet スイッチ (16 ビット非 PCI CPU インターフェイス ) LAN /100 3 ポートマネージド Ethernet スイッチ ( シングル MII/Turbo MII またはデュアル RMII) LAN /100 3 ポートマネージド Ethernet スイッチ ( シングル MII) LAN /100 3 ポートマネージド Ethernet スイッチ ( デュアル MII/RMII/Turbo MII) 低コストを重視する 短距離の PCB 接続を使う 極限環境条件 ( 温度等 ) で使う このようなアプリケーションではトランスレス設計が有効です 2 つの既知の固定 Ethernet デバイスが既知の距離を隔てて通信する必要がある場合 トランスレス設計にしておくと場所を問わずに適用できます 例えば デバイス同士が同一 PCB 上で通信する場合または VME 筐体のようにバックプレーン越しに通信する場合です 本アプリケーションノートでは トランスレスで 2 つの LAN9XXX Ethernet デバイスを接続するためのガイドラインを示します 代表的なトランス絶縁 特殊なトランスレスアプリケーション開発上の制約を認識するためには 物理ネットワークサービスおよび信号伝達を理解し 代表的な応用回路でトランスが担う機能を知る事が必要です 代表的なネットワーク構成は ケーブルを介した 2 つの物理層デバイス間の 2 点間接続からなります 図 1 に 代表的なトランスインターフェイス回路を示します 各ノードのトランスミッタとレシーバは 1:1 のトランスで直流的にネットワークケーブルから絶縁されています トランスは ケーブルからの直流絶縁機能と物理層デバイスにおける直流バイアス印加機能を持っています 絶縁は IEEE AC and DC isolation specifications for cabled configurations に準拠する必要があります 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 1

2 図 1: 代表的なトランス絶縁 図 2: 代表的なトランス絶縁 - 2 つの PHY を互いに接続 DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

3 トランスレス構成 特殊なトランスレスネットワークアプリケーションの動作要件を満たすために 物理層コンポーネントの送受信の分離とバイアス印加 さらにはアプリケーション特有の安全要件を満たす高電圧直流絶縁を実装する必要があります 代表的な構成ではトランスで実現している絶縁を 特殊なアプリケーションでは無極性コンデンサを使って実現できます 代表的なネットワーク構成は 自動ネゴシエーション Auto-MDIX 10 Mbps 動作 100 Mbps 動作をサポートします トランスレスアプリケーションでは リンクの両端をローカルが制御するため自動ネゴシエーションと Auto-MDIX は無効化される場合があります ( 自動ネゴシエーションと Auto-MDIX が常に有効な LAN9252 を除く ) システム設計者は両デバイスを特定の速度の二重通信方式に設定し 確実に通信させる事ができます Microchip 社ラボでのテストでは 2 つの PHY デバイスが Auto-MDIX と自動ネゴシエーションを両方とも有効にしたままで正常にリンクを確立し通信しました しかしリセットからのリンクに数秒の遅延が生じました 自動ネゴシエーションと Auto-MDIX を無効にする事で このシステム起動時の遅延を回避できます IEEE 仕様では TX および RX 線路を差動モードで動作させる事を求めています TXP および TXN 線路で差動ペアを形成し 長距離の場合は 100 Ω の差動インピーダンスに 短距離の場合は 50 Ω の差動インピーダンスに設計する必要があります また RXP および RXN 線路で差動ペアを形成し 適切な差動インピーダンスになるように設計する必要があります 図 3: 代表的なトランスレス絶縁 - 2 つの PHY を互いに接続 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 3

4 自動ネゴシエーション 自動ネゴシエーション機能の目的は リンク先の性能に基づいて トランシーバを最適なリンクパラメータを持つように自動的に設定する事です 自動ネゴシエーションとは 2 つのリンクパートナー間で設定情報を交換し 両者がサポートするモードのうち最も高性能な動作モードを自動的に選択するための仕組みです LAN9XXX は ハードウェアに関する以下のセクションに示す設定での自動ネゴシエーションのテストに成功しています Note: 以下のセクションで 各 PHY レジスタ末尾に追加されている小文字の x は PHY A または PHY B を表す A または B に置き換えます 場合によって 1 または 2 が適切な場合があります (LAN9250 は非該当 ) レジスタによる自動ネゴシエーションの無効化 ( 自動ネゴシエーションが常に有効な LAN9252 は非該当 ) 自動ネゴシエーションは PHY x 基本制御レジスタ (PHY_BASIC_CONTROL_x) の自動ネゴシエーションイネーブル (PHY_AN) ビットをクリアする事で無効にできます この場合 トランシーバは PHY x 基本制御レジスタ (PHY_BASIC_CONTROL_x) の速度選択 LSB (PHY_SPEED_SEL_LSB) と二重通信方式モード (PHY_DUPLEX) の情報を反映して動作速度を設定します 自動ネゴシエーション有効時 これらのビットは無視されます PHY x 基本制御レジスタ (PHY_BASIC_CONTROL_x) ビット説明タイプ既定値 速度選択 LSB (PHY_SPEED_SEL_LSB) 自動ネゴシエーションイネーブル (PHY_AN) ビットがクリアされている場合 このビットを使って PHY の速度を設定する 0: 10 Mbps 1: 100 Mbps 自動ネゴシエーションイネーブル (PHY_AN) このビットで自動ネゴシエーションの有効 / 無効を切り換える 有効にした場合 速度選択 LSB (PHY_SPEED_SEL_LSB) と二重通信方式モード (PHY_DUPLEX) はオーバーライドされる 0: 自動ネゴシエーションを無効にする 1: 自動ネゴシエーションを有効にする 二重通信方式モード (PHY_DUPLEX) 自動ネゴシエーションイネーブル (PHY_AN) ビットが無効の場合 このビットを使って二重通信方式を設定する 0: 半二重 1: 全二重 R/W R/W R/W LAN9252: 1 b1 LAN9250,LAN352,LAN9353,LAN9354,LAN9355: 100BASE-FX モードの場合 : 1 b1 autoneg_strap_x が 1 の場合 : 1 b1 上記以外の場合 : speed_strap_x の値 LAN9252: 100BASE-FX モードの場合 : 1 b0 上記以外の場合 : 1 b1 LAN9250,LAN9352,LAN9353,LAN9354,LAN9355: 100BASE-FX モードの場合 : 1 b0 上記以外の場合 : autoneg_strap_x の値 LAN9252:1 b1 LAN9250,LAN9352,LAN9353,LAN9354,LAN9355: 100BASE-FX モードの場合 : duplex_strap_x の値上記以外で autoneg_strap_x が 1 の場合 : 1 b0 上記以外の場合 : duplex_strap_x の値 DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

5 ハードウェアストラップによる自動ネゴシエーションの無効化 (LAN9252 は非該当 ) 下記のストラップは LAN9252 に対しては無効です LAN9250 に対しては autoneg_strap_2 duplex_strap_2 speed_strap_2 は無効です ストラップ名説明ピン / 既定値 autoneg_strap_1 autoneg_strap_2 PHY A 自動ネゴシエーションイネーブル ストラップ : 0 -- 自動ネゴシエーションを無効にする 1 -- 自動ネゴシエーションを有効にする PHY B 自動ネゴシエーションイネーブル ストラップ : 0 -- 自動ネゴシエーションを無効にする 1 -- 自動ネゴシエーションを有効にする LAN9250,LAN9352,LAN9354 : 1 b1 LAN9353,LAN9355 : P1_INTPHY ストラップ値 (Note: P1_INTPHY は リセット時にラッチされるハードストラップです ) 1 b1 duplex_strap_x PHY x 二重通信方式選択ストラップ : 1 -- 全二重 0 -- 半二重 1 b1 speed_strap_x PHY x 速度選択ストラップ : Mbps Mbps 1 b1 HP Auto-MDIX HP Auto-MDIX を使うと インターフェイス配線構成を考慮する事なく CAT-3 (10BASE-T) または CAT-5 (100BASE-TX) メディアの UTP 接続ケーブルを使えます ストレートケーブルとクロスケーブルのどちらかをユーザが差し込むだけで トランシーバは TXPx/TXNx と RXPx/RXNx (LAN9250 は TXP/TXN RXP/RXN 各 1 系統のみ ) のツイストペアピンを設定し 正常に動作できます デバイスの内部ロジックが 接続したデバイスの TX および RX ピンを認識するためです RX および TX 線路はペアが入れ換わる可能性があるため Auto-MDIX 設計における磁気学的対称性と終端処理の対称性を確保するため PCB 設計上特別な考慮が必要です Note: 以下のセクションで 各 PHY レジスタ末尾に追加されている小文字の x は PHY A または PHY B を表す A または B に置き換えます 場合によって 1 または 2 が適切な場合があります (LAN9250 は非該当 ) 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 5

6 レジスタによる Auto-MDIX の無効化 (LAN9252 は非該当 ) Auto-MDIX 機能のソフトウェアベースの制御は PHY x 特殊制御 / ステータス表示レジスタ (PHY_SPECIAL_CONTROL_STAT_IND_x) の Auto-MDIX 制御 (AMDIXCTRL) ビットで実行できます AMDIXCTRL が 1 にセットされている場合 Auto-MDIX の機能は PHY x 特殊制御 / ステータス表示レジスタ (PHY_SPECIAL_CONTROL_STAT_IND_x) の Auto-MDIX イネーブル (AMDIXEN) ビットと Auto-MDIX ステート (AMDIXSTATE) ビットで決まります PHY x 特殊制御 / ステータス表示レジスタ (PHY_SPECIAL_CONTROL_STAT_IND_x) ビット説明タイプ既定値 Auto-MDIX 制御 (AMDIXCTRL) このビットで Auto-MDIX 制御のもとを決定する R/W NASR 15 セットした場合 Auto-MDIX 機能はこのレジスタの AMDIXEN および AMDIXSTATE ビットで制御する 0: Port x の Auto-MDIX はストラップ入力で決まる 1: Port x の Auto-MDIX はビット 14 および 13 で決まる 0 Auto-MDIX イネーブル (AMDIXEN) R/W 14 このレジスタの AMDIXCTRL ビットがセットされている場合 AMDIXSTATE ビットと組み合わせてこのビットを使い Port x の Auto-MDIX 機能を制御する NASR 0 Auto-MDIX ステート (AMDIXSTATE) R/W 13 このレジスタの AMDIXCTRL ビットがセットされている場合 AMDIXEN ビットと組み合わせてこのビットを使い Port x の Auto-MDIX 機能を制御する NASR 0 Auto-MDIX イネーブル Auto-MDIX ステート モード 0 0 マニュアルモード ストレート 0 1 マニュアルモード クロス 1 0 Auto-MDIX モード 1 1 予約済み ( 使用禁止 ) ハードウェアストラップによる Auto-MDIX の無効化 (LAN9252 は非該当 ) MDIX ストラップの機能を下記に示します auto_mdix_strap_x manual_mdix_strap_x モード マニュアルモード ストレート マニュアルモード クロス 1 X Auto-MDIX モード DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

7 物理接続 トランスミッタの出力はトランス内に電流を吸い込むように設計されています トランスを用いない場合 図 4 に示すように出力電圧を生じさせるため各デバイスに負荷抵抗を接続する必要があります Note: Auto-MDIX 動作では 電源に接続した 50 Ω を RX ピンに配置します TX ピンも同様です Auto-MDIX が無効で かつ RX ピンが受信モード専用の場合 ピン間の差動抵抗が 100 Ω である限り 外付け終端をどのような方法で接続してもかまいません 図 4: トランスレスアプリケーションの負荷抵抗 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 7

8 距離の考慮 2 つの Ethernet デバイスをトランスを使わずに接続するシステムを設計する場合 必要とされるハードウェアはデバイス間の距離によって影響を受けます 2 つのデバイスを短距離で接続する場合 一般的なガイドラインとして およそ 1 メートル未満の距離を短距離とし 1 メートル以上の距離を長距離とします 短距離の場合 50 Ω の抵抗を並列に組み合わせて図 5 に示すような 25 Ω の抵抗で構成する事ができます 図 5: 短距離用の負荷抵抗 DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

9 2 つのデバイスを長距離で接続する場合 長距離の場合 両 Ethernet デバイスの各アナログピンに終端抵抗を接続する事を推奨します 長距離の構成例は バックプレーンで接続したデバイス 長いケーブルで接続したネットワークカード等です 図 6 に示す構成を使った抵抗配置を最適化するには 実験で適切に妥当性を確認する必要があります 高電圧を誘起する恐れ またはノイズの影響を受ける恐れがあるため トランスを使わずに非常に長い距離をケーブル接続する事は推奨しません 図 6: 長距離用の両端に配置する抵抗 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 9

10 LAN9XXX では RX ピンの直流除去コンデンサは不要です 別の Ethernet デバイスと接続する場合 コンデンサを接続する必要がある事もあります 図 7 に LAN9115 との接続例を示します 図 7: 直流除去コンデンサを必要とするデバイスとの接続 3.3V 3.3V LAN9XXX TXP TXN 50? 50? 50? 50? 50? 50? 0.1uF 0.1uF 100? RXP RXN LAN9115 RXP TXP RXN TXN 0.1uF 0.1uF まとめ LAN9XXX は特殊なトランスレスネットワークアプリケーションでも使え 問題なく送受信できます ネットワークケーブルとの直流絶縁として 個別のアプリケーションに適した最低限の直流絶縁定格を備える無極性コンデンサを使う事を推奨します DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

11 補遺 A: アプリケーションノートの改訂履歴 表 A-1: 改訂履歴 リビジョンレベル / 日付セクション / 図 / 項目改訂内容 DS A_JP (2015 年 2 月 26 日 ) 本書は初版です 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 11

12 Microchip 社製デバイスのコード保護機能に関して以下の点にご注意ください Microchip 社製品は 該当する Microchip 社データシートに記載の仕様を満たしています Microchip 社では 通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合 Microchip 社製品のセキュリティレベルは 現在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています しかし コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です 弊社の理解では こうした手法は Microchip 社データシートにある動作仕様書以外の方法で Microchip 社製品を使用する事になります このような行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます Microchip 社は コードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し 対応策に取り組んでいきます Microchip 社を含む全ての半導体メーカーで 自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません コード保護機能とは Microchip 社が製品を 解読不能 として保証するものではありません コード保護機能は常に進歩しています Microchip 社では 常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます Microchip 社のコード保護機能の侵害は デジタルミレニアム著作権法に違反します そのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作物に不正なアクセスを受けた場合 デジタルミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があります 本書に記載されているデバイスアプリケーション等に関する情報は ユーザの便宜のためにのみ提供されているものであり 更新によって無効とされる事があります お客様のアプリケーションが仕様を満たす事を保証する責任は お客様にあります Microchip 社は 明示的 暗黙的 書面 口頭 法定のいずれであるかを問わず 本書に記載されている情報に関して 状態 品質 性能 商品性 特定目的への適合性をはじめとする いかなる類の表明も保証も行いません Microchip 社は 本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認します 生命維持装置あるいは生命安全用途に Microchip 社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとし また購入者はこれによって発生したあらゆる損害 クレーム 訴訟 費用に関して Microchip 社は擁護され 免責され 損害を受けない事に同意するものとします 暗黙的あるいは明示的を問わず Microchip 社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません 商標 Microchip 社の名称とロゴ Microchip ロゴ dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ ロゴ MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 ロゴ rfpic SST SST ロゴ SuperFlash UNI/O は 米国およびその他の国におけるMicrochip Technology Incorporated の登録商標です FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL Embedded Control Solutions Company は 米国におけるMicrochip Technology Incorporatedの登録商標です Silicon Storage Technology は 他の国における Microchip Technology Inc. の登録商標です Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit ロゴ CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB Certified ロゴ MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQl Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA および Z-Scale は 米国およびその他の Microchip Technology Incorporated の商標です SQTP は 米国における Microchip Technology Incorporated のサービスマークです GestIC および ULPP は Microchip Technology Inc. の子会社である Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 社の他の国における登録商標です その他本書に記載されている商標は各社に帰属します 2016, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: Microchip 社では Chandler および Tempe ( アリゾナ州 ) Gresham ( オレゴン州 ) の本部 設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949: 2009 認証を取得しています Microchip 社の品質システムプロセスおよび手順は PIC MCU および dspic DSC KEELOQ コードホッピングデバイス シリアル EEPROM マイクロペリフェラル 不揮発性メモリ アナログ製品に採用されています さらに 開発システムの設計と製造に関する Microchip 社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得しています 2016 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 12

13 各国の営業所とサービス 北米本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技術サポート : support URL: アトランタ Duluth, GA Tel: Fax: オースティン TX Tel: ボストン Westborough, MA Tel: Fax: シカゴ Itasca, IL Tel: Fax: クリーブランド Independence, OH Tel: Fax: ダラス Addison, TX Tel: Fax: デトロイト Novi, MI Tel: ヒューストン TX Tel: インディアナポリス Noblesville, IN Tel: Fax: ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: Fax: ニューヨーク NY Tel: サンノゼ CA Tel: カナダ - トロント Tel: Fax: アジア / 太平洋アジア太平洋支社 Suites , 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: オーストラリア - シドニー Tel: Fax: 中国 - 北京 Tel: Fax: 中国 - 成都 Tel: Fax: 中国 - 重慶 Tel: Fax: 中国 - 杭州 Tel: Fax: 中国 - 香港 SAR Tel: Fax: 中国 - 南京 Tel: Fax: 中国 - 青島 Tel: Fax: 中国 - 上海 Tel: Fax: 中国 - 瀋陽 Tel: Fax: 中国 - 深圳 Tel: Fax: 中国 - 武漢 Tel: Fax: 中国 - 西安 Tel: Fax: 中国 - 厦門 Tel: Fax: 中国 - 珠海 Tel: Fax: アジア / 太平洋インド - バンガロール Tel: Fax: インド - ニューデリー Tel: Fax: インド - プネ Tel: 日本 - 大阪 Tel: Fax: 日本 - 東京 Tel: Fax: 韓国 - 大邱 Tel: Fax: 韓国 - ソウル Tel: Fax: または マレーシア - クアラルンプール Tel: Fax: マレーシア - ペナン Tel: Fax: フィリピン - マニラ Tel: Fax: シンガポール Tel: Fax: 台湾 - 新竹 Tel: Fax: 台湾 - 高雄 Tel: 台湾 - 台北 Tel: Fax: タイ - バンコク Tel: Fax: ヨーロッパ オーストリア - ヴェルス Tel: Fax: デンマーク - コペンハーゲン Tel: Fax: フランス - パリ Tel: Fax: ドイツ - デュッセルドルフ Tel: ドイツ - ミュンヘン Tel: Fax: ドイツ - プフォルツハイム Tel: イタリア - ミラノ Tel: Fax: イタリア - ヴェニス Tel: オランダ - ドリューネン Tel: Fax: ポーランド - ワルシャワ Tel: スペイン - マドリッド Tel: Fax: スウェーデン - ストックホルム Tel: イギリス - ウォーキンガム Tel: Fax: /25/14 DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

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