以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)的一種，在信息傳輸方面扮演著不可缺少的角色。為增進(jìn)大家對以太網(wǎng)的認(rèn)識，本文將對工業(yè)以太網(wǎng)予以介紹。通過本文，你將了解到工業(yè)以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)和實(shí)施階段面臨的問題。如果你對以太網(wǎng)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)， 提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。 企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)(Intranet)，外部互聯(lián)網(wǎng)(Extranet)，以及國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet) 提供的廣泛應(yīng)用不但已經(jīng)進(jìn)入今天的辦公室領(lǐng)域，而且還可以應(yīng)用于生產(chǎn)和過程自動化。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運(yùn)行之后，具有交換功能，全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的標(biāo)準(zhǔn))也已成功運(yùn)行多年。采用何種性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要。通用的兼容性允許用戶無縫升級到新技術(shù)。

二、工業(yè)以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)

1、交換芯片集成化

網(wǎng)絡(luò)交換功能通常在以太網(wǎng)的第二層MAC實(shí)現(xiàn)，早期的以太網(wǎng)交換芯片一般都只有MAC層，然后在通過位于以太網(wǎng)第一層的PHY物理層芯片實(shí)現(xiàn)真正的以太網(wǎng)連接。隨著技術(shù)發(fā)展以及用戶對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化需求的提升，將物理層(PHY)和鏈路層(MAC)集成在一起的網(wǎng)絡(luò)交換芯片出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用起來。

目前對于10M/100M交換芯片不少都實(shí)現(xiàn)了這種集成化，在10G交換機(jī)芯片和普通交換機(jī)的千兆口通常仍然要使用專用的物理層芯片。聊到以太網(wǎng)連接那肯定少不了Broadcom，Broadcom在以太網(wǎng)交換芯片領(lǐng)域長期位于領(lǐng)先梯隊(duì)，旗下的以太網(wǎng)交換設(shè)備/交換芯片在業(yè)內(nèi)也是最全的。

要說集成，Broadcom的Roboswitch架構(gòu)以太網(wǎng)交換方案采用5-24端口配置，支持快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)(GbE)。這些高速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)交換方案中，把高速交換系統(tǒng)的所有功能(包括數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)、物理層收發(fā)器、媒體訪問控制器(MAC)、地址管理、基于端口的速率控制和非阻塞交換結(jié)構(gòu))結(jié)合到單個CMOS中，這種集成度在工業(yè)應(yīng)用中也是相當(dāng)高的。

為了保證協(xié)同工作時的高數(shù)據(jù)處理能力，交換芯片的內(nèi)部邏輯通路極為復(fù)雜，大廠行業(yè)領(lǐng)先的架構(gòu)會支持100M/1GE/2.5GE和10GE多種速度，利用2.5GbE/10GbE速度實(shí)現(xiàn)高速上行鏈路連接。集成化的交換芯片CPU也直接集成在其中，以便在不添加外部處理器的情況下設(shè)計(jì)支持級聯(lián)模式，單CPU管理的交換平臺。

在數(shù)據(jù)中心場景以及深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，交換芯片的集成度會更高，比如市面上集成度最高帶寬最大的StrataXGS系列，集成的單芯片能夠從數(shù)千兆位擴(kuò)展到數(shù)兆位。

2、多協(xié)議支持

工業(yè)通訊協(xié)議之多想必大家都知道，支持多協(xié)議的交換芯片在工業(yè)應(yīng)用中無疑是更吃香的，這省去了不少設(shè)計(jì)上的麻煩。ADI的FIDO5100以及FIDO5200兩款多協(xié)議支持的交換芯片是通過個性化設(shè)置，通過從主機(jī)處理器下載的固件支持所需的協(xié)議，該固件包含在實(shí)時以太網(wǎng)多協(xié)議交換機(jī)驅(qū)動程序中，在上電時下載。

可擴(kuò)展和靈活的配置讓交換芯片可與任何主機(jī)處理器輕松對接，再利用提供的特定協(xié)議的器件驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)劃分，還能夠更自由地利用任何供應(yīng)商的協(xié)議堆棧，只需將該協(xié)議堆棧與多協(xié)議交換芯片驅(qū)動程序集成。交換芯片多協(xié)議的支持在工業(yè)自動化場景里大大提升了效率。

3、從未止步的高效數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時需求

不管發(fā)展趨勢如何，交換芯片要實(shí)現(xiàn)的高效傳輸與更低的延遲是從未變過的。尤其在工業(yè)應(yīng)用中運(yùn)控有著非常嚴(yán)苛的實(shí)時要求。上面提到的FIDO系列采用定時器控制單元TCU，用于實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的同步機(jī)制，能支持低至12.5μs的EtherCAT周期時間和低至31.25μs的PROFINET周期時間。

Microchip的單芯片VSC75XTSN系列則是集成了對 IEEE 1588v2 精確時間協(xié)議(PTP)的完整硬件支持，包括所有PHY-MAC接口的硬件時間戳和高分辨率硬件PTP時鐘，為一系列工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用提供亞微秒級的同步。對實(shí)時高效連接的需求促進(jìn)了交換芯片向更高效的傳輸更低延時的同步繼續(xù)發(fā)展。

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