工业以太网MPU：解决工业通信协议难点

工控领域发展到今天，各种平台，各种认证标准，各种协议标准都对我们主控器件的资源和生态有一定要求。而集成电路进步带来的系统集成程度提高，使得多片分立元件组成的系统向高度集成化发展，多个芯片的功能向一颗芯片集中。
 
MPU从一开始就定位在应当具有更高的的处理和运算能力。这样的定位也决定了MPU应该具备比较高的主频和较为强大的运算能力。MPU很早就演进到了32位，现在更是开始大力普及64位。要满足MPU强大的算力通常需要有大容量的存储器来配合支撑，也就是配置外设，外设配置也是MPU重要的一环。在高分辨率人机界面、嵌入式视觉、嵌入式人工智能(e-AI) 、实时控制以及工业以太网连接上MPU都有广阔的用武之地。这里我们缩小切入范围，先从工业以太网应用的MPU着手。
 
RA RZ/N系列
 
在RA的研讨会上笔者获悉，RA面对工业以太网主推的是RZ系列，重点产品是RZ/N系列。
 

（RZ/N1，RA）

 
对于复杂的工业通讯协议，N系列做了大量的协议简化，形成了统一的通信协议抽象层，允许用户在同一平台上快速从一种协议切换到另一种协议。N系列的通信层支持主站和从站的多协议工业以太网通讯，最多携带5个以太网口，方便系统搭建和平台化，标准化。解决工控平台复杂繁多的通讯是任何MPU想切入工业以太网应用必须处理好的环节。
 
这个系列的双核架构支持电机算法和工业网络控制分开运行，同时还集成ABS编码器接口电路。RZ系列还提供BSP和驱动等以太网底层软件包。
 
N系列采用了双核Cortex-A7架构，最高500MHz。同时拥有最高6MB的SRAM，另外搭载了RA的R-IN引擎用于提高网络性能。N系列网络从站专用控制器可轻松将工业以太网功能应用到现有系统配置中，支持包括TSN在内的多种协议，同时使系统中的CPU免于网络相关干扰。具体方法是N系列通过提供硬件RTOS单元和硬件以太网加速器来解决CPU的网络相关干扰。
 
TI DRV系列
 
DRV829系列是TI较新的一个系列，下面有J，V，J-Q1等细分系列，总的来看都是针对工业以太网推出的新品。严格来说，这个系列是SoC，但是在工业以太网应用上这个系列很有特色，所以值得一提。
 

（DRV829XX，TI）

 
DRA829系列基于Arm v8 64架构，提供了极高的系统集成。双核64位Arm Cortex-A72微处理器子系统，性能高达2.0GHz，每个双核Arm Cortex-A72集群具有1MB L2共享缓存，每个 Cortex-A72内核具有32KB L1数据缓存和48KB L1指令缓存。
 
最多四个Arm Cortex-R5F子系统可以管理低级的时序关键型处理任务，并且可使Arm Cortex-A72不受应用的影响。对Arm Cortex-A72的双核集群配置有助于实现多操作系统应用，而且对软件管理程序的需求非常低。
 
在存储上主域中的512KB片上SRAM受ECC保护，另外还有高达8MB的片上L3 RAM，外部还配置了EMIF模块。TI的这个系列显然在网络数据传输上优势极大。
 
STM32MP系列
 
STM32系列通用32位MPU集成Arm Cortex-A 和 Cortex-M两种内核的异构架构，在实现高性能且灵活的多核架构基础上还能保证低功耗的实时控制和高功能集成度。
 

（ST MPU矩阵，ST）

 
STM32MP157F 是ST目前主推工业以太网的一款MPU。该系列最高到达800MHz，Cortex-A7处理器包括每个CPU的32 KB一级指令缓存、每个CPU的32 KB一级数据缓存和256 KB二级缓存。
 
STM32MP157F一个突出的优势在于功耗，对于节能要求严格的场景该系列保证功耗的情况下仍提供丰富的功能。Cortex-A7处理器提供的单线程性能比Cortex-A5高出20%，并提供与Cortex-A9类似的性能。
 
在存储方面，STM32MP157F设备提供外部SDRAM接口，支持高达8 Gbit的外部存储器、高达533 MHz的16或32位LPDDR2/LPDDR3或DDR3/DDR3L。除了包含这些高速嵌入式内存，还有APB总线的各种增强型I/O和外围设备，诸如AHB总线、32位多AHB总线矩阵和64位多层AXI。
 
ST MPU的设计服务和软件可用于许多协议和标准，如CANopen、CANopen FD、Modbus、PROFIBUS、PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、CC-Link IE、POWERLINK、OPC UA、单对以太网。这种多协议支持可以让工程师专注于应用开发，同时将其系统连接到工业总线。
 
NXP Layerscape系列
 
NXP在今年面向工业自动化的集成时间敏感网络TSN的解决方案，支持 CC-Link IE TSN协议，将千兆以太网带宽与TSN相结合，加强工业以太网的分时通信、性能、安全性和功能。
 
Layerscape系列MPU就是包含了支持时间敏感网络TSN的以太网交换机和以太网控制器的处理器。
 

（Layerscape LS1028A，NXP）

 
Layerscape LS1028A两个功能强大的64位Arm v8内核支持工业控制的实时处理，内置GPU和LCD控制器使HMI系统支持新一代接口。另外，该系列有4端口时间敏感网络交换机和2个具有时间敏感网络功能的以太网控制器。Layerscape LS1028A的集成架构带有加密分流功能，可提供能够加密通信的可信平台，在安全性上也是独具特色。
 
Layerscape LS1028A为CC-Link IE TSN网络提供从设备到交换机的完整TSN解决方案，可以帮助整合和统一以太网协议来实现各种工业网络之间的互操作性。
 
小结
 
每家大厂的MPU都有自己的独到之处，有的软硬件开发和认证更加便捷，有的平台方便统一应用需求，有的功能覆盖更齐全。各个大厂也都在建立自己的主控生态，以满足工控领域各种平台化，认证标准，协议标准的多变需求。