工业以太网在设计和实现阶段面临的挑战

电子发烧友网报道（文/李宁远）可靠稳定的通信互联是工业自动化的命脉，考虑到工业设备里数量庞大的传感器和执行器，在工业现实场景里各种系统、协议也是种类繁多，一系列的传统网关多到数不胜数用以传输转换整个流程的数据。工业自动化必须考虑到IT系统对于开放数据访问以及实时控制的要求。

工业以太网在这方面已经起到了很大的作用，相较现场总线来说提升了大量数据传输的高效性与同步性。在硬件设备上，以太网交换设备由以太网交换芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系统等组成，其中以太网交换芯片是其中一个很重要的部件。以太网交换芯片为用于交换处理大量数据及报文转发的专用芯片，是针对网络应用优化的专用集成电路。通常目前大的交换芯片供应商面向商业用户的芯片产品协议支持比较全，功能更强大。

交换芯片集成化

网络交换功能通常在以太网的第二层MAC实现，早期的以太网交换芯片一般都只有MAC层，然后在通过位于以太网第一层的PHY物理层芯片实现真正的以太网连接。随着技术发展以及用户对系统结构简化需求的提升，将物理层（PHY）和链路层（MAC）集成在一起的网络交换芯片出现并广泛应用起来。

目前对于10M/100M交换芯片不少都实现了这种集成化，在10G交换机芯片和普通交换机的千兆口通常仍然要使用专用的物理层芯片。聊到以太网连接那肯定少不了Broadcom，Broadcom在以太网交换芯片领域长期位于领先梯队，旗下的以太网交换设备/交换芯片在业内也是最全的。

要说集成，Broadcom的Roboswitch架构以太网交换方案采用5-24端口配置，支持快速以太网和千兆以太网（GbE）。这些高速以太网和千兆以太网交换方案中，把高速交换系统的所有功能（包括数据包缓冲区、物理层收发器、媒体访问控制器（MAC）、地址管理、基于端口的速率控制和非阻塞交换结构）结合到单个CMOS中，这种集成度在工业应用中也是相当高的。

为了保证协同工作时的高数据处理能力，交换芯片的内部逻辑通路极为复杂，大厂行业领先的架构会支持100M/1GE/2.5GE和10GE多种速度，利用2.5GbE/10GbE速度实现高速上行链路连接。集成化的交换芯片CPU也直接集成在其中，以便在不添加外部处理器的情况下设计支持级联模式，单CPU管理的交换平台。

在数据中心场景以及深度学习网络应用上，交换芯片的集成度会更高，比如市面上集成度最高带宽最大的StrataXGS系列，集成的单芯片能够从数千兆位扩展到数兆位。

多协议支持

工业通讯协议之多想必大家都知道，支持多协议的交换芯片在工业应用中无疑是更吃香的，这省去了不少设计上的麻烦。ADI的FIDO5100以及FIDO5200两款多协议支持的交换芯片是通过个性化设置，通过从主机处理器下载的固件支持所需的协议，该固件包含在实时以太网多协议交换机驱动程序中，在上电时下载。

可扩展和灵活的配置让交换芯片可与任何主机处理器轻松对接，再利用提供的特定协议的器件驱动器实现灵活的系统划分，还能够更自由地利用任何供应商的协议堆栈，只需将该协议堆栈与多协议交换芯片驱动程序集成。交换芯片多协议的支持在工业自动化场景里大大提升了效率。

从未止步的高效数据传输与实时需求

不管发展趋势如何，交换芯片要实现的高效传输与更低的延迟是从未变过的。尤其在工业应用中运控有着非常严苛的实时要求。上面提到的FIDO系列采用定时器控制单元TCU，用于实现各种工业以太网协议的同步机制，能支持低至12.5μs的EtherCAT周期时间和低至31.25μs的PROFINET周期时间。

Microchip的单芯片VSC75XTSN系列则是集成了对 IEEE 1588v2 精确时间协议（PTP）的完整硬件支持，包括所有PHY-MAC接口的硬件时间戳和高分辨率硬件PTP时钟，为一系列工业以太网应用提供亚微秒级的同步。对实时高效连接的需求促进了交换芯片向更高效的传输更低延时的同步继续发展。

小结

随着网络从传统现场总线和4 mA至20 mA连接转向工业以太网，网络连接在设计和实现阶段出现许多挑战，这也促进了以太网交换芯片的升级，功能强大灵活性高的交换芯片让工业应用朝着理想中的工业以太网连接又近了一步。　　

      审核编辑：彭静