向千兆以太網(wǎng)的發(fā)展

　　另一考慮是今后向千兆以太網(wǎng)發(fā)展。由于幾乎所有的 FPGA 都支持千兆以太網(wǎng)，即使標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始向高于 1 Gbps 速率發(fā)展，經(jīng)過(guò)深思熟慮的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也需要新的 FPGA 編程文件來(lái)支持這類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。在可編程架構(gòu)中以深度嵌入的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)使您不僅能夠以相同的硬件靈活的支持多種協(xié)議，而且還受益于高度集成的設(shè)計(jì)：功耗、成本和外形封裝。

　　未來(lái)是芯片驅(qū)動(dòng)

　　與基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)不同，基于一個(gè) Altera? Cyclone? V FPGA 等單片 FPGA 平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了可擴(kuò)展平臺(tái)，滿足了各種驅(qū)動(dòng)需求，如圖 4 所示。

　　圖 4. 芯片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低了 BOM 成本，減小了外形

　　Altera FPGA 支持您采用多種處理器體系結(jié)構(gòu)，例如，Nios? II 嵌入式軟核處理器，或者功能更強(qiáng)大的雙核 ARM? CortexTM-A9 MPCoreTM 硬核處理器。采用最新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、數(shù)字編碼器接口、浮點(diǎn)算法以及器件增強(qiáng)功能，例如，存儲(chǔ)器控制器、精度可調(diào) DSP 模塊和收發(fā)器以及基于 FPGA 的電機(jī)控制系統(tǒng)，支持多種操作系統(tǒng)，使您能夠集成傳統(tǒng)的 FPGA 功能和驅(qū)動(dòng)控制環(huán)以及通信協(xié)議功能。采用單芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的這些數(shù)字功能，因此，工業(yè)以太網(wǎng)成為集成到 FPGA 中眾多的功能模塊中的一個(gè)。

　　簡(jiǎn)化工業(yè)以太網(wǎng)許可和設(shè)計(jì)

　　讓我們從系統(tǒng)規(guī)劃人員設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊的角度了解一下某些難點(diǎn)：

　?。?）系統(tǒng)必須能夠采用多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議重新編程，這樣，系統(tǒng)可以采用任何可編程邏輯控制器 （PLC） 進(jìn)行工作。

　?。?）OEM 需要使用多種經(jīng)過(guò)硬件測(cè)試的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。由于產(chǎn)品面市和預(yù)算壓縮了所有時(shí)間，因此，不可能與每一協(xié)議供應(yīng)商分別進(jìn)行協(xié)商。

　　（3）不同的驅(qū)動(dòng)模塊支持不同的特性，有不同的價(jià)格，因此，非常重要的是協(xié)議知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 能夠適用于多種 FPGA。

　　為解決這些難題，設(shè)計(jì)人員需要向 OEM 提供大部分從機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而且沒(méi)有前端許可，沒(méi)有單獨(dú)的版稅。這類解決方案是由 Altera 和 Softing 工業(yè)自動(dòng)化有限公司提供的，這是一家制造和過(guò)程自動(dòng)化工業(yè)通信產(chǎn)品和技術(shù)前沿供應(yīng)商。采用 Altera 和Softing 解決方案，您能夠使用圖 5 顯示的所有協(xié)議，不需要許可協(xié)商，沒(méi)有前端許可成本，也不需要單獨(dú)的單片版稅。相反，通過(guò)四個(gè)快捷步驟提供解決方案：

　?。?）選擇要實(shí)現(xiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 —— 甚至選擇一個(gè)以上。

　?。?）從 Softing 下載定制從機(jī)協(xié)議 IP 和軟件堆棧，適用于所有 Altera Cyclone 系列FPGA。

　?。?）在 Quartus? 軟件和硬件 （ 開(kāi)發(fā)套件 ） 中評(píng)估您自己設(shè)計(jì)中的 IP。

　　（4）從 Altera 購(gòu)買特殊安全 CPLD，在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)任何所選擇的協(xié)議。

　　圖 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您設(shè)計(jì)大部分從機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，具有完整的 “ 無(wú)困難 ” 許可

　　協(xié)議 IP 的結(jié)構(gòu)

　　讓我們看一下協(xié)議 IP 的結(jié)構(gòu)，您可以下載它來(lái)實(shí)現(xiàn)您需要的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 IP 有邏輯組件和軟件 （ 堆棧 ） 組件。邏輯組件為各種協(xié)議實(shí)現(xiàn)所需的硬件模塊，例如，PROFINET 和 EtherNet/IP 交換模塊，以及 POWERLINK 集線器，等。以 “ 黑盒 IP” 的形式提供 IP，意味著，不提供內(nèi)部源 RTL。必須通過(guò)定義好的有記錄的接口來(lái)使用這一 IP。

　　軟件組件包括運(yùn)行在免費(fèi)操作系統(tǒng) （OS） 中的協(xié)議棧，例如，eCOS，以 Nios II 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （IDE） 中 .elf 庫(kù)文件的方式來(lái)提供。源代碼還是以黑盒的形式提供，二進(jìn)制軟件文件必須運(yùn)行在 Nios II/f 處理器上。

　　如圖 6 所示，將這些組件放在一起建立 “ 灰盒 ” 非常重要?；液邪?Nios II/f 處理器、黑盒 IP，以及存儲(chǔ)器控制器，必須將它們恰當(dāng)?shù)姆旁谝黄穑珉S每一協(xié)議 IP 發(fā)售的參考設(shè)計(jì)所示。您可以通過(guò)定義好的邏輯接口將您 （ 邏輯 ） 設(shè)計(jì)的其他部分和這一黑盒連接起來(lái)，通過(guò)定義好的軟件應(yīng)用程序接口 （API） 使用協(xié)議棧，這一接口對(duì)于所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議是通用的。

　　圖 6. 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 IP 的結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)完成后，您可以選擇在 Quartus 軟件中進(jìn)行軟件仿真，或者使用 Altera 基于Cyclone IV FPGA 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)模塊 （RTEM） 進(jìn)行硬件評(píng)估。使用這些開(kāi)發(fā)套件，在硬件中驗(yàn)證了 Softing 為Altera 開(kāi)發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議 IP。

　　結(jié)論

　　與很多其他通信功能相似，工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)從模塊轉(zhuǎn)向器件，進(jìn)而成為深度嵌入的功能。這是很多功能的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)橄到y(tǒng)供應(yīng)商很難針對(duì)成本、功耗、外形封裝等因素來(lái)優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。工業(yè)以太網(wǎng)獨(dú)特的一面是，大量的全球標(biāo)準(zhǔn)，需要從機(jī)模塊供應(yīng)商支持多種標(biāo)準(zhǔn)。

　　支持 8 到 10 種不同標(biāo)準(zhǔn)，而且在這些從機(jī)產(chǎn)品生命周期中不斷更新硬件和軟件的唯一高性價(jià)比方法是在同時(shí)具備硬件和軟件可編程能力的器件中實(shí)現(xiàn)您的設(shè)計(jì)。采用硬件和軟件可編程器件，系統(tǒng)供應(yīng)商能夠支持各種工業(yè)以太網(wǎng)，使用了標(biāo)準(zhǔn) MAC，提供特殊的軟件堆棧以及需要定制 MAC 設(shè)計(jì)和特殊軟件堆棧的協(xié)議。而且，使用相同的硬件，能夠適應(yīng)一般的軟件堆棧更新和不太常用的邏輯更新。

　　——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！