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浅述FPGA在工业以太网交换机中扮演的角色

更新时间:2015-12-22 09:23:15  点击次数:1050次 打印
在工业以太网交换机中,FPGA器件通常扮演着SoC(系统级芯片)的角色,即将定时控制、交换矩阵和协议实现、网络端口等功能都在一片FPGA器件中实现。

在工业以太网交换机中,FPGA器件通常扮演着SoC(系统级芯片)的角色,即将定时控制、交换矩阵和协议实现、网络端口等功能都在一片FPGA器件中实现。

中国的工业以太网产业发展近期已经明显有快速启动的趋势,诸多工控主板制造商和工业电脑厂商都看到了这个契机,纷纷发布自己的工业以太网产品,包括工业以太网集线器、工业以太网交换机、工业以太网防火墙等等。

工业以太网产业能有如此快速的成长,究其原因,一方面是由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展,而且大家都已经看到通信的重要性,用户对统一的通信协议和网络的要求日趋迫切;另一方面,Intranet/Internet(企业内部网/互联网)等信息技术的飞速发展也要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息互通,并提供一个开放的基础构架,但目前的现场总线远远不能满足这些要求。多种现场总线互不兼容,不同设备控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输,信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“信息孤岛”,这些都促使人们开始寻求新的出路,并关注到工业以太网。

目前,国内工业以太网产品与国外的差距体现在多个方面,其中最重要的是“标准”制定权。旧有的现场总线和新兴的以太网通信怎样互连,以怎样的标准互连,按照怎样的技术规范互连?这些都牢牢掌握在国外的集团、联盟和工业巨头手中。有了这个“利器”,国外的工业以太网产品往往占尽了先机。

立华莱康公司在原有的6/10口网管型冗余工业以太网交换机的基础上,率先推出了一款分别具有5/8个10/100M自适应以太网接口的非网管型工业以太网交换机,并且还将有更多深入的工业以太网产品规划。这些产品都采用了一个或多个FPGA器件。

应用FPGA的方案,设计师就可以在单一硬件平台上实现支持不同工业以太网协议(如EtherCAT、ProfiNet等)的交换机。这种交换机将可支持同一系统内或来自相同以太网端口的不同工业以太网协议。

当然,工业以太网并不是要包容所有的协议,才是最佳的方案。如果这样,必将增加FPGA的成本和体积。灵活性和复杂性是相辅相成的,沙发固然舒服,但是板凳也有其适用的场合。

经验告诉我们,过犹不及,某些专用芯片实现特定的RTE协议仍然有其存在的空间和时间。现场总线也不会被工业以太网完全替代,还有一些专用总线,如SERCOS(用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议)和INSTABUS都有其专门的应用领域。另外,易燃、易爆以及环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合,也不适于应用工业以太网。

在工业以太网交换机中,FPGA器件通常扮演着SoC(系统级芯片)的角色,即将定时控制、交换矩阵和协议实现、网络端口等功能都在一片FPGA器件中实现。

FPGA虽然有上述的多种优势,但是使用它、用好它也对设备制造厂商提出了更高的要求,这些原本单纯的硬件制造厂商必须要涉足IP领域。具有IP核移植和功能模块聚合知识的软件人员的人力成本是这些生产型厂商所难以预料的。所以,目前我们的产品上FPGA器件起到的还只是辅助和补充的作用,并没有完全代替中央处理器。

没有最完善的产品,只有最恰当地使用。任何新特性的加入都是以成本和功耗为代价的,所以按需取材才是正理。大家看到在有些领域单片机还在继续使用,并且没有丝毫下降的趋势就明白了。

有些厂商推出了嵌入微处理器或DSP内核、I/O接口的FPGA,当然有他们产生和存在的环境。有了这些内建的高智能单元大大加强了FPGA的灵活性和兼容性,提高了其“起步”水平。迎合了那些既需要支持标准TCP/IP以太网协议,又希望兼容既有的多种RTE协议的客户需求。

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