利用FPGA实现工业以太网交换机设计优化

开发定制ASIC方案是可能的，但随着ASIC开发成本的上升以及工业以太网标准的迅速变化，开发此类方案速度慢、风险高且不具成本效益。也可以采用微处理器和针对特定网络协议的第三方ASIC或ASSP为每个协议开发解决方案，但此举意味着为每种网络标准实现单独的解决方案，这样做同样既昂贵又没效率。这些解决方案还可能面临缺少灵活性和设备很快过时的问题。

目前，设计师只能通过仔细地实现网络，尽量减少交换机的使用，或尽量减少实时性强的网络流量来规避上述限制。这种网络隔离措施可达到对某些应用来说能接受的性能水平，但它们难以实现或维护。

节省开发时间

用FPGA实现支持IEEE 1588的交换机是解决该问题的理想方案。Altera、国家半导体和MorethanIP公司各展所长，这三家公司联合为工业以太网设计师提供了一个优化的八端口交换机设计，采用该设计可使工程开发时间缩短六到九个月。开发时间上的节省将使设备制造商在产品上市时间上抢得先机。

图2：具有IEEE 1588时序控制功能的八端口交换机开发板。

图2显示的是MorethanIP企业系统基于Altera的Stratix II FPGA开发的带嵌入式IEEE 1588功能的开发板。该开发板所附的参考设计通过一种简单高性价比的方式实现了支持IEEE 1588的交换机，并且很容易修改而迎合其它系统及快速变化的市场需求。这些优势是都是凭借FPGA的灵活性以及FPGA设计内集成的一个32位RISC处理器实现的。

具有1588定时控制和可编程上行链路功能的以太网MAC内核和交换矩阵内核知识产权(IP)是由MorethanIP GmbH开发的。MorethanIP企业系统还提供了可在32位AlteraNios II RISC处理器软核上运行的UDP和1588软件协议栈。为了提供最佳的物理接口，该八端口交换机设计选用了国家半导体企业系统的4个双端口PHY收发器。

参考设计具有小于100ns的时钟同步能力，可用于各种应用。这种等级的精度对满足工业连接所需的苛刻通信延时和服务质量(QoS)要求来说是关键。目标应用包括采用Ethernet/IP、ProfiNet、Ethernet Powerlink及其它以太网协议等不同工业标准的交换机。

作者：Francois Balay   来源：电子工程专辑