基于以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)市場中增長最快的技術(shù)之一。大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，因此這些網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和實時數(shù)據(jù)。但每個標(biāo)準(zhǔn)都采用不同的技術(shù)來提供實時性能，一些采用定制硬件，一些利用定制軟件，還有的采用完全標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)/TCP/IP實現(xiàn)。結(jié)果就出現(xiàn)了眾多不同等級性能、不同成本的互不兼容標(biāo)準(zhǔn)。

針對以太網(wǎng)協(xié)議非確定性通信時間的一個越來越普及的對策是在每個設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)一個本地時鐘。由于大多數(shù)設(shè)備都有微處理器及(相對)高速度的時鐘，因此這種方法比較容易實現(xiàn)。若能在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實現(xiàn)和保持精確的時鐘同步，同時控制整個系統(tǒng)的精確運作時序，那么該方法的唯一限制就是通信延時以及系統(tǒng)范圍內(nèi)的時鐘同步精度。

這種系統(tǒng)控制方法不適合精確運動控制(如對負(fù)荷不斷變化的電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制)等應(yīng)用，因為它們要求控制器和設(shè)備間的通信延時很短，但它對需要高度同步系統(tǒng)級控制(如速度變化)的整個系統(tǒng)(比如一家大型印刷廠或一條很長的自動化生產(chǎn)線)的精確控制很有用。如果有足夠的時間給每臺設(shè)備發(fā)一條指令，則對這種基于時鐘的控制精度的唯一制約就是系統(tǒng)范圍內(nèi)的時鐘同步精度。

幾個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(不僅僅是基于互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn))正在采用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)來提供這種控制能力。IEEE 1588提供了高度精確的主時鐘及經(jīng)過驗證的時鐘同步機(jī)制，可用來生成所有本地時鐘，并與主時鐘保持非常精確的系統(tǒng)級同步。

基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)因其低成本以及以太網(wǎng)的易于實現(xiàn)而備受青睞。以太網(wǎng)交換機(jī)是有助于發(fā)揮這些優(yōu)勢的關(guān)鍵部件，而企業(yè)系統(tǒng)也非常依賴它們實現(xiàn)高性能和易于維護(hù)的基礎(chǔ)架構(gòu)。交換機(jī)的這一巨大企業(yè)市場意味著它們很容易實現(xiàn)，而且成本低廉，但目前市場上的大多數(shù)交換機(jī)不是針對低延時性能或確定性路由時間設(shè)計的，因此很難用于工業(yè)環(huán)境。

IEEE 1588系統(tǒng)通過檢測主機(jī)和從機(jī)間通信延時來同步主機(jī)和從機(jī)的時鐘。在主機(jī)和從機(jī)時鐘之間安放一個交換機(jī)會引入額外延時，因為交換機(jī)必須分析數(shù)據(jù)包然后再行路由。增加的延時不是好事，但對它可以進(jìn)行延時修正，所以它并非主要問題。最大的問題是，當(dāng)流量增加時，路由數(shù)據(jù)包所需的時間將急劇增加。

這是由于緩存、分析并將數(shù)據(jù)包路由至眾多目的地所需的時間引起的。這種變化極大降低了1588時鐘同步的精度，從而顯著惡化了對整個系統(tǒng)的實時控制性能。對1588主和從時鐘間延時的測量也依賴于兩個方向上通信時間的對稱，因為采用的測量方法是統(tǒng)計一個加有時間標(biāo)記的信息由從時鐘到主時鐘再從主時鐘返回從時鐘所用的時間再除以2。在大多數(shù)交換機(jī)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中，這種對稱性不太可能出現(xiàn)，從而進(jìn)一步降低了時鐘同步的精度。

圖1：典型的邊界時鐘應(yīng)用框圖
不過IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)提供了該問題的解決之道：若交換機(jī)本身也有時鐘(圖1所示)，則可測量數(shù)據(jù)包路由所需的時間并將其整合進(jìn)同步計算中。由于系統(tǒng)不需要這種功能，所以包含這類‘邊界’時鐘的交換機(jī)很難看到，即使有一般也很貴，并且通常是為特定網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)定制的。隨著基于IEEE 1588的網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，針對如何在產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中高效且高性價比地實現(xiàn)IEEE 1588功能，制造商面臨著艱巨挑戰(zhàn)。

開發(fā)定制ASIC方案是可能的，但隨著ASIC開發(fā)成本的上升以及工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的迅速變化，開發(fā)此類方案速度慢、風(fēng)險高且不具成本效益。也可以采用微處理器和針對特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第三方ASIC或ASSP為每個協(xié)議開發(fā)解決方案，但此舉意味著為每種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)單獨的解決方案，這樣做同樣既昂貴又沒效率。這些解決方案還可能面臨缺少靈活性和設(shè)備很快過時的問題。

目前，設(shè)計師只能通過仔細(xì)地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，盡量減少交換機(jī)的使用，或盡量減少實時性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)流量來規(guī)避上述限制。這種網(wǎng)絡(luò)隔離措施可達(dá)到對某些應(yīng)用來說能接受的性能水平，但它們難以實現(xiàn)或維護(hù)。

節(jié)省開發(fā)時間

用FPGA實現(xiàn)支持IEEE 1588的交換機(jī)是解決該問題的理想方案。Altera、國家半導(dǎo)體和MorethanIP公司各展所長，這三家公司聯(lián)合為工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計師提供了一個優(yōu)化的八端口交換機(jī)設(shè)計，采用該設(shè)計可使工程開發(fā)時間縮短六到九個月。開發(fā)時間上的節(jié)省將使設(shè)備制造商在產(chǎn)品上市時間上搶得先機(jī)。

圖2：具有IEEE 1588時序控制功能的八端口交換機(jī)開發(fā)板
圖2顯示的是MorethanIP企業(yè)系統(tǒng)基于Altera的Stratix II FPGA開發(fā)的帶嵌入式IEEE 1588功能的開發(fā)板。該開發(fā)板所附的參考設(shè)計通過一種簡單高性價比的方式實現(xiàn)了支持IEEE 1588的交換機(jī)，并且很容易修改而迎合其它系統(tǒng)及快速變化的市場需求。這些優(yōu)勢是都是憑借FPGA的靈活性以及FPGA設(shè)計內(nèi)集成的一個32位RISC處理器實現(xiàn)的。

具有1588定時控制和可編程上行鏈路功能的以太網(wǎng)MAC內(nèi)核和交換矩陣內(nèi)核知識產(chǎn)權(quán)(IP)是由MorethanIP GmbH開發(fā)的。MorethanIP企業(yè)系統(tǒng)還提供了可在32位AlteraNios II RISC處理器軟核上運行的UDP和1588軟件協(xié)議棧。為了提供最佳的物理接口，該八端口交換機(jī)設(shè)計選用了國家半導(dǎo)體企業(yè)系統(tǒng)的4個雙端口PHY收發(fā)器。

參考設(shè)計具有小于100ns的時鐘同步能力，可用于各種應(yīng)用。這種等級的精度對滿足工業(yè)連接所需的苛刻通信延時和服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求來說是關(guān)鍵。目標(biāo)應(yīng)用包括采用Ethernet/IP、ProfiNet、Ethernet Powerlink及其它以太網(wǎng)協(xié)議等不同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)。

延長產(chǎn)品生命周期

FPGA的可編程能力是上述設(shè)計優(yōu)勢的關(guān)鍵。從單一硬件平臺出發(fā)，設(shè)計師可以很容易地實現(xiàn)支持不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(如EtherCAT、 ProfiNet等)的交換機(jī)。該開發(fā)板可支持同一系統(tǒng)內(nèi)或來自相同以太網(wǎng)端口的不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

這是借助實現(xiàn)不同的媒體接入控制器(MAC)硬件模塊和嵌入式處理器軟件以支持不同以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1588功能來實現(xiàn)的。能方便地再利用以前設(shè)計的能力以及現(xiàn)成IP的可用性意味著與采用ASIC或ASSP器件的設(shè)計相比，基于FPGA的設(shè)計可在很短時間內(nèi)生成一個支持新特性的配置。

FPGA從一個串行閃存內(nèi)加載硬件配置和嵌入式處理器軟件。在生產(chǎn)過程中甚至設(shè)備被交付到現(xiàn)場后，都可方便地通過改寫閃存內(nèi)容來改變FPGA的硬件和軟件功能。

FPGA內(nèi)的可編程硬件和軟件處理能力意味著設(shè)計師可以通過作為硬件或軟件的應(yīng)用程序來整合所需的額外功能。通過簡單地再編程FPGA就可實現(xiàn)新功能的能力是對產(chǎn)品未來的保證(如支持IEEE 1588 v2.0)，還能非常快速地將新特性呈獻(xiàn)給客戶。