FPGA在工業(yè)以太網(wǎng)交換機中扮演SoC角色

　　中國的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展近期已經(jīng)明顯有快速啟動的趨勢，諸多工控主板制造商和工業(yè)電腦廠商都看到了這個契機，紛紛發(fā)布自己的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品，包括工業(yè)以太網(wǎng)集線器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、工業(yè)以太網(wǎng)防火墻等等。

　　工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)能有如此快速的成長，究其原因，一方面是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展，而且大家都已經(jīng)看到通信的重要性，用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日趨迫切;另一方面，Intranet/Internet(企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng))等信息技術(shù)的飛速發(fā)展也要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息互通，并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，但目前的現(xiàn)場總線遠遠不能滿足這些要求。多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同設(shè)備控制器之間不能相互實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝導(dǎo)致出現(xiàn)“信息孤島”，這些都促使人們開始尋求新的出路，并關(guān)注到工業(yè)以太網(wǎng)。

　　目前，國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品與國外的差距體現(xiàn)在多個方面，其中最重要的是“標準”制定權(quán)。舊有的現(xiàn)場總線和新興的以太網(wǎng)通信怎樣互連，以怎樣的標準互連，按照怎樣的技術(shù)規(guī)范互連?這些都牢牢掌握在國外的集團、聯(lián)盟和工業(yè)巨頭手中。有了這個“利器”，國外的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品往往占盡了先機。

　　立華萊康公司在原有的6/10口網(wǎng)管型冗余工業(yè)以太網(wǎng)交換機的基礎(chǔ)上，率先推出了一款分別具有5/8個10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口的非網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機，并且還將有更多深入的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)劃。這些產(chǎn)品都采用了一個或多個FPGA器件。

　　應(yīng)用FPGA的方案，設(shè)計師就可以在單一硬件平臺上實現(xiàn)支持不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(如EtherCAT、ProfiNet等)的交換機。這種交換機將可支持同一系統(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。

　　當(dāng)然，工業(yè)以太網(wǎng)并不是要包容所有的協(xié)議，才是最佳的方案。如果這樣，必將增加FPGA的成本和體積。靈活性和復(fù)雜性是相輔相成的，沙發(fā)固然舒服，但是板凳也有其適用的場合。

　　經(jīng)驗告訴我們，過猶不及，某些專用芯片實現(xiàn)特定的RTE協(xié)議仍然有其存在的空間和時間?，F(xiàn)場總線也不會被工業(yè)以太網(wǎng)完全替代，還有一些專用總線，如SERCOS(用于數(shù)字伺服和傳動系統(tǒng)的現(xiàn)場總線接口和數(shù)據(jù)交換協(xié)議)和INSTABUS都有其專門的應(yīng)用領(lǐng)域。另外，易燃、易爆以及環(huán)境條件惡劣、可靠性要求很高的應(yīng)用場合，也不適于應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)。

　　在工業(yè)以太網(wǎng)交換機中，F(xiàn)PGA器件通常扮演著SoC(系統(tǒng)級芯片)的角色，即將定時控制、交換矩陣和協(xié)議實現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)端口等功能都在一片F(xiàn)PGA器件中實現(xiàn)。

　　FPGA雖然有上述的多種優(yōu)勢，但是使用它、用好它也對設(shè)備制造廠商提出了更高的要求，這些原本單純的硬件制造廠商必須要涉足IP領(lǐng)域。具有IP核移植和功能模塊聚合知識的軟件人員的人力成本是這些生產(chǎn)型廠商所難以預(yù)料的。所以，目前我們的產(chǎn)品上FPGA器件起到的還只是輔助和補充的作用，并沒有完全代替中央處理器。

　　沒有最完善的產(chǎn)品，只有最恰當(dāng)?shù)厥褂?。任何新特性的加入都是以成本和功耗為代價的，所以按需取材才是正理。大家看到在有些領(lǐng)域單片機還在繼續(xù)使用，并且沒有絲毫下降的趨勢就明白了。

    有些廠商推出了嵌入微處理器或DSP內(nèi)核、I/O接口的FPGA，當(dāng)然有他們產(chǎn)生和存在的環(huán)境。有了這些內(nèi)建的高智能單元大大加強了FPGA的靈活性和兼容性，提高了其“起步”水平。迎合了那些既需要支持標準TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，又希望兼容既有的多種RTE協(xié)議的客戶需求。