IRH320-1000-203

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描述这个词地反映了HDL语言的本质，HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已， 只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。而在编写语言之前，硬件电路应该已经被设计出来了。语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已经被设计出来了，直接拿去制作部就完了，为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢？其实这就是很多菜鸟没有了解设计的抽象层次的问题，任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有一个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧，初的设计也许就是一个概念，设计出这个概念也是就是一个点子而已，离终拍成广告还差得很远。硬件设计也是有不同的抽象层次，每一个层次都需要设计。高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。向千兆以太网的发展

　　另一考虑是今后向千兆以太网发展。由于几乎所有的 FPGA 都支持千兆以太网，即使标准开始向高于 1 Gbps 速率发展，经过深思熟虑的系统设计也需要新的 FPGA 编程文件来支持这类标准的发展。在可编程架构中以深度嵌入的功能来实现工业以太网使您不仅能够以相同的硬件灵活的支持多种协议，而且还受益于高度集成的设计：功耗、成本和外形封装。

　　未来是芯片驱动

　　与基于 ASIC、ASSP、MCU 和 DSP 器件的传统驱动技术不同，基于一个 Altera? Cyclone? V FPGA 等单片 FPGA 平台的驱动系统提供了可扩展平台，满足了各种驱动需求，如图 4 所示。

　　图 4. 芯片驱动系统设计降低了 BOM 成本，减小了外形

　　图 4. 芯片驱动系统设计降低了 BOM 成本，减小了外形

　　Altera FPGA 支持您采用多种处理器体系结构，例如，Nios? II 嵌入式软核处理器，或者功能更强大的双核 ARM? CortexTM-A9 MPCoreTM 硬核处理器。采用新的工业以太网协议、数字编码器接口、浮点算法以及器件增强功能，例如，存储器控制器、精度可调 DSP 模块和收发器以及基于 FPGA 的电机控制系统，支持多种操作系统，使您能够集成传统的 FPGA 功能和驱动控制环以及通信协议功能。采用单芯片实现驱动系统的这些数字功能，因此，工业以太网成为集成到 FPGA 中众多的功能模块中的一个。

　　简化工业以太网许可和设计

　　让我们从系统规划人员设计驱动模块的角度了解一下某些难点：

　　（1）系统能够采用多种工业以太网协议重新编程，这样，系统可以采用任何可编程逻辑控制器 （PLC） 进行工作。

　　（2）OEM 需要使用多种经过硬件测试的工业以太网协议。由于产品面市和预算压缩了所有时间，因此，不可能与每一协议供应商分别进行协商。

　　（3）不同的驱动模块支持不同的特性，有不同的价格，因此，非常重要的是协议知识产权 （IP） 能够适用于多种 FPGA。

　　为解决这些难题，设计人员需要向 OEM 提供大部分从机工业以太网协议，而且没有前端许可，没有单独的版税。这类解决方案是由 Altera 和 Softing 工业自动化有限公司提供的，这是一家制造和过程自动化工业通信产品和技术前沿供应商。采用 Altera 和Softing 解决方案，您能够使用图 5 显示的所有协议，不需要许可协商，没有前端许可成本，也不需要单独的单片版税。相反，通过四个快捷步骤提供解决方案：

　　（1）选择要实现的工业以太网协议 —— 甚至选择一个以上。

　　（2）从 Softing 下载定制从机协议 IP 和软件堆栈，适用于所有 Altera Cyclone 系列FPGA。

　　（3）在 Quartus? 软件和硬件 （ 开发套件 ） 中评估您自己设计中的 IP。

　　（4）从 Altera 购买特殊 CPLD，在产品中实现任何所选择的协议。

　　图 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您设计大部分从机工业以太网协议，具有完整的 “ 无困难 ” 许可

　　图 5. 使用 Altera FPGA 和 Softing IP 支持您设计大部分从机工业以太网协议，具有完整的 “ 无困难 ” 许可

　　协议 IP 的结构

　　让我们看一下协议 IP 的结构，您可以下载它来实现您需要的工业以太网协议。工业以太网协议 IP 有逻辑组件和软件 （ 堆栈 ） 组件。逻辑组件为各种协议实现所需的硬件模块，例如，PROFINET 和 EtherNet/IP 交换模块，以及 POWERLINK 集线器，等。以 “ 黑盒 IP” 的形式提供 IP，意味着，不提供内部源 RTL。通过定义好的有记录的接口来使用这一 IP。

　　软件组件包括运行在免费操作系统 （OS） 中的协议栈，例如，eCOS，以 Nios II 集成开发环境 （IDE） 中 .elf 库文件的方式来提供。源代码还是以黑盒的形式提供，二进制软件文件运行在 Nios II/f 处理器上。

　　如图 6 所示，将这些组件放在一起建立 “ 灰盒 ” 非常重要。灰盒包括 Nios II/f 处理器、黑盒 IP，以及存储器控制器，将它们恰当的放在一起，如随每一协议 IP 发售的参考设计所示。您可以通过定义好的逻辑接口将您 （ 逻辑 ） 设计的其他部分和这一黑盒连接起来，通过定义好的软件应用程序接口 （API） 使用协议栈，这一接口对于所有工业以太网协议是通用的。

　图 6. 工业以太网协议 IP 的结构　

　　图 6. 工业以太网协议 IP 的结构

　　设计完成后，您可以选择在 Quartus 软件中进行软件仿真，或者使用 Altera 基于Cyclone IV FPGA 的工业网络套件 （INK），以及 Softing 基于 Cyclone III FPGA 的实时以太网模块 （RTEM） 进行硬件评估。使用这些开发套件，在硬件中验证了 Softing 为Altera 开发的工业以太网协议 IP。

　　结论

　　与很多其他通信功能相似，工业以太网的实现已经从模块转向器件，进而成为深度嵌入的功能。这是很多功能的发展趋势，因为系统供应商很难针对成本、功耗、外形封装等因素来优化他们的设计。工业以太网的一面是，大量的标准，需要从机模块供应商支持多种标准。

　　支持 8 到 10 种不同标准，而且在这些从机产品生命周期中不断更新硬件和软件的高性价比方法是在同时具备硬件和软件可编程能力的器件中实现您的设计。采用硬件和软件可编程器件，系统供应商能够支持各种工业以太网，使用了标准 MAC，提供特殊的软件堆栈以及需要定制 MAC 设计和特殊软件堆栈的协议。而且，使用相同的硬件，能够适应一般的软件堆栈更新和不太常用的逻辑更新。工业以太网成为工厂自动化的主流技术，是有多方面原因的。而没有引起同样重视的是，需要在供应商系统中实现这一通信技术。而事实上，您怎样实现这一需求越来越大的功能对于您的系统成本、产品外形以及功耗指标会有很大的不同。本文从工厂自动化供应商开发从机系统的角度出发，介绍实现工业以太网的各种选择，例如 I/O 模块和驱动等从机系统。

　　这些 OEM 面临的难题并不常见，因此，有很好的理由来检查从机系统体系结构。供应商不是针对某一协议来设计从机系统。他们支持可以在工厂中实现的任何标准，而不能指定某一种协议。他们的系统适应任何一种协议。

　　开发的从机协议新标准也有的硬件特性。事实上，他们不能使用标准 MAC 实现，这会面临少见的难题，影响对实现平台的选择。

　　工业以太网简介

　　一开始，以太网 ——10 Mbps 初的以太网、100 Mbps 的快速以太网，以及 1 Gbps 的千兆以太网，是在共享介质上在器件之间传送信号，都不能适应工业应用。而快速以太网 （100 Mbps） 的出现，其交换模式支持全双工功能，意味着可以在两个器件之间构建点对点链接，使得以太网能够用于大部分工业应用中。所有工业以太网协议都需要作出程度的判决，传统上是通过使用软件协议堆栈来解决的。

　　对速度的要求 （ 或者在这一案例中，延时 ）

　　我们都知道，工厂自动化系统有实时响应要求。那么，“ 实时 ” 到底是什么 ？ 答案是这取决于应用类型。有时候，按照数百毫秒来衡量，而有时候按照微秒来衡量。有不同的设计方法使得通信协议能够满足不同的延时要求。

　　如图 1 所示，PHY 层通常是独立的模拟器件。但是，可以在数字逻辑器件中实现其他功能，由处理器针对协议栈以及定制应用来运行软件。而所有的工业以太网协议都需要特殊的软件堆栈，某些新协议 （ 图中右侧所示 ） 在介质访问控制 （MAC） 以及交换上使用的非标准设计。

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