IRH320-1000-203

描述這個詞地反映了HDL語言的本質(zhì)，HDL語言不過是已知硬件電路的文本表現(xiàn)形式而已， 只是將以后的電路用文本的形式描述出來而已。而在編寫語言之前，硬件電路應(yīng)該已經(jīng)被設(shè)計出來了。語言只不過是將這種設(shè)計轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已經(jīng)被設(shè)計出來了，直接拿去制作部就完了，為什么還要轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式再通過EDA工具這些麻煩的流程呢？其實這就是很多菜鳥沒有了解設(shè)計的抽象層次的問題，任何設(shè)計包括什么服裝、機(jī)械、廣告設(shè)計都有一個抽象層次的問題。就拿廣告設(shè)計來說吧，初的設(shè)計也許就是一個概念，設(shè)計出這個概念也是就是一個點子而已，離終拍成廣告還差得很遠(yuǎn)。硬件設(shè)計也是有不同的抽象層次，每一個層次都需要設(shè)計。高的抽象層次為算法級、然后依次是體系結(jié)構(gòu)級、寄存器傳輸級、門級、物理版圖級。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)開始向高于 1 Gbps 速率發(fā)展，經(jīng)過深思熟慮的系統(tǒng)設(shè)計也需要新的 FPGA 編程文件來支持這類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。在可編程架構(gòu)中以深度嵌入的功能來實現(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：功耗、成本和外形封裝。

　　未來是芯片驅(qū)動

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

　　圖 4. 芯片驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計降低了 BOM 成本，減小了外形

　　圖 4. 芯片驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計降低了 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。采用新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、數(shù)字編碼器接口、浮點算法以及器件增強(qiáng)功能，例如，存儲器控制器、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)動控制環(huán)以及通信協(xié)議功能。采用單芯片實現(xiàn)驅(qū)動系統(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。

　　簡化工業(yè)以太網(wǎng)許可和設(shè)計

　　讓我們從系統(tǒng)規(guī)劃人員設(shè)計驅(qū)動模塊的角度了解一下某些難點：

　　（1）系統(tǒng)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)過硬件測試的工業(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)動模塊支持不同的特性，有不同的價格，因此，非常重要的是協(xié)議知識產(chǎn)權(quán) （IP） 能夠適用于多種 FPGA。

　　為解決這些難題，設(shè)計人員需要向 OEM 提供大部分從機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而且沒有前端許可，沒有單獨(dú)的版稅。這類解決方案是由 Altera 和 Softing 工業(yè)自動化有限公司提供的，這是一家制造和過程自動化工業(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，沒有前端許可成本，也不需要單獨(dú)的單片版稅。相反，通過四個快捷步驟提供解決方案：

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

　?。?）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 （ 開發(fā)套件 ） 中評估您自己設(shè)計中的 IP。

　　（4）從 Altera 購買特殊 CPLD，在產(chǎn)品中實現(xiàn)任何所選擇的協(xié)議。

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

　　圖 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您設(shè)計大部分從機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，具有完整的 “ 無困難 ” 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)，您可以下載它來實現(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。通過定義好的有記錄的接口來使用這一 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 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 中 .elf 庫文件的方式來提供。源代碼還是以黑盒的形式提供，二進(jìn)制軟件文件運(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，以及存儲器控制器，將它們恰當(dāng)?shù)姆旁谝黄?，如隨每一協(xié)議 IP 發(fā)售的參考設(shè)計所示。您可以通過定義好的邏輯接口將您 （ 邏輯 ） 設(shè)計的其他部分和這一黑盒連接起來，通過定義好的軟件應(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)　

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

　　設(shè)計完成后，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 的實時以太網(wǎng)模塊 （RTEM） 進(jìn)行硬件評估。使用這些開發(fā)套件，在硬件中驗證了 Softing 為Altera 開發(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，因為系統(tǒng)供應(yīng)商很難針對成本、功耗、外形封裝等因素來優(yōu)化他們的設(shè)計。工業(yè)以太網(wǎng)的一面是，大量的標(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高性價比方法是在同時具備硬件和軟件可編程能力的器件中實現(xiàn)您的設(shè)計。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。工業(yè)以太網(wǎng)成為工廠自動化的主流技術(shù)，是有多方面原因的。而沒有引起同樣重視的是，需要在供應(yīng)商系統(tǒng)中實現(xiàn)這一通信技術(shù)。而事實上，您怎樣實現(xiàn)這一需求越來越大的功能對于您的系統(tǒng)成本、產(chǎn)品外形以及功耗指標(biāo)會有很大的不同。本文從工廠自動化供應(yīng)商開發(fā)從機(jī)系統(tǒng)的角度出發(fā)，介紹實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的各種選擇，例如 I/O 模塊和驅(qū)動等從機(jī)系統(tǒng)。

　　這些 OEM 面臨的難題并不常見，因此，有很好的理由來檢查從機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。供應(yīng)商不是針對某一協(xié)議來設(shè)計從機(jī)系統(tǒng)。他們支持可以在工廠中實現(xiàn)的任何標(biāo)準(zhǔn)，而不能指定某一種協(xié)議。他們的系統(tǒng)適應(yīng)任何一種協(xié)議。

　　開發(fā)的從機(jī)協(xié)議新標(biāo)準(zhǔn)也有的硬件特性。事實上，他們不能使用標(biāo)準(zhǔn) MAC 實現(xiàn)，這會面臨少見的難題，影響對實現(xiàn)平臺的選擇。

　　工業(yè)以太網(wǎng)簡介

　　一開始，以太網(wǎng) ——10 Mbps 初的以太網(wǎng)、100 Mbps 的快速以太網(wǎng)，以及 1 Gbps 的千兆以太網(wǎng)，是在共享介質(zhì)上在器件之間傳送信號，都不能適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用。而快速以太網(wǎng) （100 Mbps） 的出現(xiàn)，其交換模式支持全雙工功能，意味著可以在兩個器件之間構(gòu)建點對點鏈接，使得以太網(wǎng)能夠用于大部分工業(yè)應(yīng)用中。所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都需要作出程度的判決，傳統(tǒng)上是通過使用軟件協(xié)議堆棧來解決的。

　　對速度的要求 （ 或者在這一案例中，延時 ）

　　我們都知道，工廠自動化系統(tǒng)有實時響應(yīng)要求。那么，“ 實時 ” 到底是什么 ？ 答案是這取決于應(yīng)用類型。有時候，按照數(shù)百毫秒來衡量，而有時候按照微秒來衡量。有不同的設(shè)計方法使得通信協(xié)議能夠滿足不同的延時要求。

　　如圖 1 所示，PHY 層通常是獨(dú)立的模擬器件。但是，可以在數(shù)字邏輯器件中實現(xiàn)其他功能，由處理器針對協(xié)議棧以及定制應(yīng)用來運(yùn)行軟件。而所有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都需要特殊的軟件堆棧，某些新協(xié)議 （ 圖中右側(cè)所示 ） 在介質(zhì)訪問控制 （MAC） 以及交換上使用的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

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