通信網(wǎng)絡(luò)靈活的工業(yè)以太網(wǎng)決方案技術(shù)白皮書

1、靈活的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案技術(shù)白皮書摘要：本白皮書介紹利用FPGA在一塊印刷電路板上實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)功能。介紹了FPGA的優(yōu)點(diǎn)，概述了FPGA開發(fā)流程、工具和技術(shù)，以建立通用并且易于維護(hù)的解決方案。關(guān)鍵詞：FPGA，工業(yè)以太網(wǎng)，印刷電路板本白皮書介紹利用FPGA在一塊印刷電路板上實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)功能。介紹了FPGA的優(yōu)點(diǎn)，概述了FPGA開發(fā)流程、工具和技術(shù)，以建立通用并且易于維護(hù)的解決方案。引言自從Xerox公司在上個(gè)世紀(jì)70年代

2、中期引入以太網(wǎng)概念，并由IEEE802.3在1983年標(biāo)準(zhǔn)化后，以太網(wǎng)已經(jīng)成為世界上計(jì)算機(jī)通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)從3Mbps的銅纜系統(tǒng)發(fā)展到了可靠性更高、成本更低的100Mbps非屏蔽雙絞線(Cat5UTP)系統(tǒng)。以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，市場(chǎng)上已經(jīng)有支持1Gbps以太網(wǎng)的器件，10Gbps器件也浮出水面，以太網(wǎng)今后將繼續(xù)服務(wù)于市場(chǎng)(參見表1)。以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍、實(shí)用性和易用性，以及工廠系統(tǒng)和公司網(wǎng)絡(luò)相集成的壓力，促使工業(yè)開發(fā)人員開發(fā)基于以太

3、網(wǎng)的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)解決方案，兼容工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信方案，甚至能夠替代它。目前有很多基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議，每種協(xié)議都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。部分協(xié)議已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，或者“開放”，任何開發(fā)人員都可以實(shí)施這些協(xié)議。很顯然，開放協(xié)議會(huì)越來越流行，被業(yè)界廣泛采用。有的解決方案只是簡(jiǎn)單的在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中封裝現(xiàn)場(chǎng)總線或者應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此，僅僅需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(盡管由于不具有確定性而導(dǎo)致實(shí)時(shí)性能較差)。但是，很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議需要額外的定制軟件，大部分高性能協(xié)議還

4、需要定制硬件，所以很難開發(fā)并維護(hù)支持多種http:www.elecfans.com電子發(fā)燒友http:bbs.elecfans.com電子技術(shù)論壇結(jié)合以太網(wǎng)收發(fā)器(稱為PHY)后，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)接口需要的所有功能。PHY和電路板電路處理物理(1層)接口，F(xiàn)PGA中的配置邏輯管理介質(zhì)訪問控制器(MAC)硬件功能(2層)；通過軟件來實(shí)現(xiàn)更高層的功能(3層以上)，在配置到FPGA邏輯中的處理器內(nèi)核中運(yùn)行這些軟件。很容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有應(yīng)用程序

5、處理器和FPGA之間的通信通道，這是因?yàn)镕PGA邏輯具有可編程能力，IO引腳支持多種標(biāo)準(zhǔn)，以及大量的現(xiàn)成接口IP。一般情況下，處理器中的現(xiàn)有接口(例如，I2C、SPI，或者某些其他的本地并行總線)或者系統(tǒng)(例如，PCI、PCIExpress、CANopen等)可以用于和FPGA進(jìn)行通信。這種方法有更多的優(yōu)點(diǎn)，它縮短了計(jì)算時(shí)間，對(duì)現(xiàn)有處理器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件改動(dòng)很小。這不但保持了系統(tǒng)軟件狀態(tài)不變，而且還提供了更多的處理資源來實(shí)現(xiàn)高性能工業(yè)以

6、太網(wǎng)堆棧處理。FPGA硬件是可編程的，因此，可以建立含有兩個(gè)以上軟核微處理器的系統(tǒng)，在FPGA中集成應(yīng)用軟件處理功能。這類系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)在于減少了元件數(shù)量，降低了成本和功耗。此外，F(xiàn)PGA有較長(zhǎng)的器件生命周期，能夠輕松過渡到新一代器件，基于IP的設(shè)計(jì)完全不會(huì)出現(xiàn)過時(shí)的問題。計(jì)算量較大的功能可以在FPGA硬件中實(shí)現(xiàn)，而不必采用軟件，因此，F(xiàn)PGA還能夠加速系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)起來效率更高，具有性能更好、時(shí)鐘速率更低、功耗更低的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工業(yè)以太

7、網(wǎng)，F(xiàn)PGA硬件設(shè)計(jì)還提供集線器或者類似的硬件，以加速以太網(wǎng)通信。FPGA不但能夠卸載處理器應(yīng)用任務(wù)，在FPGA邏輯中實(shí)現(xiàn)硬件，而且還能靈活地實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)接口，包括簡(jiǎn)單通信接口(例如，UARTS、并行IO等)，并支持新的存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)(例如，DDR23)等更復(fù)雜的特性，以及最新的通信技術(shù)(例如，藍(lán)牙、千兆以太網(wǎng)、PCIExpress等)?；贔PGA的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行處理器和以太網(wǎng)MAC硬件設(shè)計(jì)表面看起來會(huì)很困難，但是，由于有SOPCBuilde

8、r工具以及預(yù)構(gòu)建的處理器和以太網(wǎng)MACIP組件，實(shí)際是相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)。SOPCBuilder集成在Altera的QuartusII開發(fā)環(huán)境中，經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可以輕松進(jìn)行基于IP的可編程芯片系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計(jì)。開發(fā)人員利用圖形用戶接口(GUI)而不是HDL編碼來設(shè)計(jì)系統(tǒng)；SOPCBuilder自動(dòng)加速實(shí)現(xiàn)IP系統(tǒng)的配置、集成和生成。在工具GUI(圖2)的截屏顯示中，左側(cè)窗口中列出了可用的IP。如果需要在當(dāng)前系統(tǒng)中加入http:www.e