利用FPGA实现工业以太网交换机设计优化

基于以太网的组网技术是工业市场中增长最快的技术之一。大多数工业以太网标准使用IEEE 802.3标准以太网协议，因此这些网络能够传输标准的网络业务和实时数据。但每个标准都采用不同的技术来提供实时性能，一些采用定制硬件，一些利用定制软件，还有的采用完全标准的以太网/TCP/IP实现。结果就出现了众多不同等级性能、不同成本的互不兼容标准。

针对以太网协议非确定性通信时间的一个越来越普及的对策是在每个设备内实现一个本地时钟。由于大多数设备都有微处理器及(相对)高速度的时钟，因此这种方法比较容易实现。若能在整个网络范围内实现和保持精确的时钟同步，同时控制整个系统的精确运作时序，那么该方法的唯一限制就是通信延时以及系统范围内的时钟同步精度。

这种系统控制方法不适合精确运动控制(如对负荷不断变化的电机转速的精确控制)等应用，因为它们要求控制器和设备间的通信延时很短，但它对需要高度同步系统级控制(如速度变化)的整个系统(比如一家大型印刷厂或一条很长的自动化生产线)的精确控制很有用。如果有足够的时间给每台设备发一条指令，则对这种基于时钟的控制精度的唯一制约就是系统范围内的时钟同步精度。

几个工业网络标准(不仅仅是基于互联网的标准)正在采用IEEE 1588标准来提供这种控制能力。IEEE 1588提供了高度精确的主时钟及经过验证的时钟同步机制，可用来生成所有本地时钟，并与主时钟保持非常精确的系统级同步。

基于以太网的网络因其低成本以及以太网的易于实现而备受青睐。以太网交换机是有助于发挥这些优势的关键部件，而企业系统也非常依赖它们实现高性能和易于维护的基础架构。交换机的这一巨大企业市场意味着它们很容易实现，而且成本低廉，但目前市场上的大多数交换机不是针对低延时性能或确定性路由时间设计的，因此很难用于工业环境。

作者：Francois Balay   来源：电子工程专辑