乙太網路最初由Xerox在二十世紀七十年代中期提出，在1983年作為IEEE 802.3標準，現已經成為商業領域電腦通訊的事實標準。乙太網路經歷了從3Mbps的同軸線纜系統到由非遮罩雙絞線(Cat5 UTP)構建的系統，可提供高可靠性、低成本及100Mbps的性能。目前市場上已經出現了1Gbps的乙太網路設備，10Gbps的產品也即將出現，乙太網路的持續發展(表 1)在將來很長一段時間內還將繼續滿足市場需求。
乙太網路的傳輸範圍、可用性及易於實施的特點，加上整合到工廠體系與企業網路的壓力，促動著工業開發人員建立基於乙太網路的工業網路解決方案，這些方案要能相容或替代工業現場匯流排通訊解決方案。如今有許多基於乙太網路的工業通訊協議，每種都有其自己的優點和缺點。某些協議實現了標準化並/或開放，使任何開發人員都可以建立這些協議的實施。這自然要求開放協議更為普及並在業界廣泛地應用。
某些方案只是將現場匯流排或應用資料打包到標準乙太網路中，所以只需要一個標準乙太網路實施(但缺少決定機製造成即時性能較差)。然而，許多工業乙太網路協定需要額外的客製化軟體，而多數的高效能協定還需要客製化的硬體，這使開發與維護支援多協議的方案更為困難。
現在不但有許多協定，而且這些協定還在不斷發展，充分利用了基礎乙太網路標準的變化及技術的改進。為了增強競爭力，工業設備製造商必須尋找一種低成本的方式來支援儘量多的工業乙太網路協議，可以迅速接受新的協定變化，支援新協定並吸收其他的系統改進。
設計通用的工業乙太網路解決方案
顯然可以設計一個解決方案來支援多個協定，只要為每個協定建立一個插件即可。但就目前市場上存在的標準數量及持續發展的形勢來看，一個解決方案如何才能既維持較低的成本，又能及時地支援新的功能及額外的協議？在使用標準乙太網路 硬體的情況下，必須要開發或移植協定軟體以在所選的處理器設備上運行。這要需要多久？CPU是否有足夠的處理能力運行該應用程式及協定？
在需要新的工業乙太網路ASIC/ASSP設備時，必須要開發電路板，這就涉及到建立新硬體相關的各種成本及延遲。當乙太網路協定升級時，要開發新ASIC/ASSP設備及多種版本的電路板以支援原來的與新版的協議。依賴ASIC/ASSSP設備會造成供應問題，而且隨著協議的迅速變化，會造成設備的逐漸淘汰。這種解決方案成本較高，不易提供支援，提供新功能也比較緩慢。
然而，所有這些問題都可能透過用FPGA設備來實施一個工業乙太網路介面來解決(圖1)。FPGA的一個主要優勢是其可以輕鬆地重新配置，只需隨時在工業乙太網路協定中所需的硬體中構建一個電路板及程式，僅在產品交貨前甚至是現場進行都可以。如果需要不同的協定，如客戶改變了定單，只要對FPGA進行編程設置，僅需幾秒的時間對所需的FPGA配置檔進行處理即可。這種多標準的解決方案極大地降低了開發成本並緩解了庫存與供應鏈問題。為FPGA設備建立新配置檔需要開發新軟體或硬體，但利用Altera開發工具及Altera合作夥伴的現成的知識產權(IP)，只需幾周的開發時間內或更短的時間內即可實現。
當與乙太網路收發器(稱為PHY)結合時，FPGA設備可執行乙太網路介面所需的全部功能。PHY與電路板電子元件可處理物理(1層)介面，而(第2層)媒介接取控制器(MAC) 硬體功能由FPGA設備中配置的邏輯進行管理，較高級別的功能(第3層及以上)在運行在配置到FPGA核心邏輯中的處理器的軟體上實施。由於FPGA 邏輯具有可程式性、多標準支援的I/O針腳、豐富的現成介面IP的可用等特點，在現有應用處理器及FPGA之間實施一個通訊通道很容易。通常，處理器設備(如I2C、SPI或某些其他本地平行匯流排)或系統(如PCI、PCI Express、CANopen等)中現有的介面可以用於與FPGA通訊。這種方式對計算時間及運行在現有處理器上的應用軟體所要求的改變非常少。這可以保持系統軟體的狀態，並能提供的處理資源以實施高效能的工業乙太網路堆疊處理能力。
由於FPGA硬體可以編程設置，可以建立有兩個或多個軟微處理器核心的系統，還可將應用處理整合到FPGA設備中。這種系統整合的優勢可包括降低元件數量、成本及功耗。此外，完全基於IP的設備具有較長的FPGA設備壽命及能輕鬆遷移到新一代產品的能力，可避免其被淘汰。FPGA還可透過將計算密集的功能實施為FPGA硬體而非軟體來提高系統性能，從而提供更有效的實施。並實現高效能、低時脈速度及低功耗的優勢。對於工業乙太網路，FPGA硬體設計可包括一個集線器或可加速乙太網路通訊的類似硬體。
FPGA不僅可將應用任務簡化到一個以FPGA邏輯實施的處理器或硬體，而且FPGA設備的彈性還允許在系統中實施新介面，包括簡單的通訊介面(如UARTS、並行I/O等)、或實施更複雜的功能，如支援記憶體標準(DDR2/3等)；或最新的通訊技術(如藍牙、十億位元乙太網路、PCI Express等)。
構建基於FPGA的硬體設計
建立一個處理器和乙太網路MAC硬體設計看起來很困難，但實際上由於可以使用SOPC Builder這種工具及預建處理器，以及太網MAC IP元件，這還是一件很簡單的任務。SOPC Builder整合在Altera 的Quartus II開發環境中，專門為支援建立基於IP的系統級可程式晶片 (SOPC)而設計。開發人員使用圖形用戶介面(GUI)不是編碼的HDL來設計系統，SOPC Builder 加速並實現了自動配置、整合和產生基於IP的系統的過程。
工具GUI有多項可用的IP。在選擇了一個IP模組後，該系統允許選擇適當的選項。完成這項工作後，配置的IP元件就會出現在當前的系統設計中。該元件的基址或中斷級別可以改變，也可以使用GUI修改系統的互聯架構以改變IP元件間的連接。此過程(如圖2所示)允許迅速設計模組化與/或高度最佳化的系統。設計誤差標記在下部視窗，這樣設計師可輕鬆地發現並解決問題，如位址衝突或元件間的錯誤連接等。
當系統設計完成後，設計師點選產生按鈕，工具就會產生構建有效系統所需的全部HDL 。由於IP由廠商預先構建並經過了測試，系統互聯是機器產生的，設計由結構來校正，並且只需要最少的IP工作來實施。當系統產生後，會在Quartus II schematic editor中顯示為設計模組。利用硬體綜合功能，對多數的SOPC Builder產生的系統只需按一下按鈕的操作，可建立一個能下載到FPGA 設備中的配置檔。
如果，以後需要一個新的或修改的設計，設計師只要打開SOPC Builder工具，透過GUI修改設計，可重新產生系統，用Quartus II軟體重新合成來建立另一個配置檔即可。這表明對新的工業乙太網路協定的硬體設計可以透過購買所需的硬體IP來建立，並將其放到現有的系統設計後重新產生即可。點擊一下即可實現重新合成，很快就可產生硬體。
在Nios II處理器上運行軟體協定
在有乙太網路支援的嵌入式系統中，處理器提供了較高層的功能(如TCP、UDP等)。Altera免版稅的32位RISC Nios II處理器有三個二進位相容的變數，每個都為不同的體積與性能比進行了最佳化(表2)：Nios II/f可實現較高的性能、Nios II/e達到最小的尺寸，Nios II/s用於平衡尺寸與性能。當Nios II處理器作為一種SOPC Builder IP元件，可輕鬆地建立基於處理器的系統，其中包括乙太網路MAC IP，還有許多其他週邊元件，甚至還有多個Nios II處理器。利用SOPC Builder GUI，用戶可輕鬆迅速地構建一個滿足設計師嚴格需要的Nios II處理器系統，甚至可對不同的應用建立不同的版本。
當SOPC Builder準備好後，Nios II處理器可與Quartus II軟體隨附的免費 IP相容。此IP包括用於實現標準處理器週邊功能的模組，及多種Altera及其合作夥伴提供的額外IP元件。在條件合適的情況下，這些元件隨Nios II驅動程式一同提供，可透過強大的Nios II軟體發展環境自動整合到軟體構建系統中。該環境支援以C語言及組合語言開發，由於該開發環境是以Eclipse 及GNU為基礎的，所以多數開發人員都很熟悉。
工業乙太網路硬體與軟體IP
現在，有七種不同的工業乙太網路協議商業性IP包，如表3所示。硬體IP通常打包為含有MAC及所需的任何附加邏輯的SOPC Builder元件。軟體IP作為一個資料庫或以C語言編寫的針對Nios II處理器的軟體API。某些廠商市場預建了FPGA配置，讓設計師能像現成的ASIC/ASSP元件一樣輕鬆地使用FPGA設備。
彈性符合工業電腦設計需求
工業市場的乙太網路技術有很多優點，在今後五年可呈現強大的成長。現在有許多工業乙太網路協議解決方案，每種都有其特殊的優勢。但顯然乙太網路技術將繼續發展，不斷推動著新的與當前工業乙太網路解決方案的進步。1-Gbps與10-Gbps乙太網路一類的技術及對當前802.3標準及時改進，將會提交更高的性能及更出色的可靠性。同樣，對其他工業領域的關注，如安全與安全協議毫無疑問地會繼續推動工業乙太網路標準的變化，對工業設備製造廠商提出了長久的挑戰。
低成本FPGA設備及軟微處理器IP的出現實現了成本適中的可程式的工業乙太網路解決方案。FPGA以相同基礎硬體可支援任何基於乙太網路的工業通訊協定，以及可程式設備所具有的系統整合、彈性及防止淘汰的優勢。將可重新編程的硬體、SOPC Builder及Nios II處理器結合到一起讓開發人員能輕鬆地修改乙太網路協議的上層與下層，無需改變物理硬體。現有協定的發展讓原有的協議逐漸淘汰，而有更多的新協議出現。擁有一個可支援各種工業乙太網路協議的彈性、成本適中的解決方案越來越重要，因此在FPGA中實施工業乙太網路對工業設備製造商將成為不可避免的趨勢。
作者簡介
Razak Mohammed Ali為Altera亞太區域的產品行銷經理，該公司網址為www.altera.com。
特別感謝
Stefano J. Zammattio, Altera Corp高級產品行銷工程師以及Stefan Weiher, IXXAT GmbH產品經理。
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Figure 1, Figure 2, Table 1, Table 2, Table 3
