fpga支持灵活的网络网关设计

随着无线现场端标准(如WirelessHART)的引入和当前SP100.11a标准化的努力，网关实现者面临着在所提供的任何无线解决方案的健壮性与现场无线启用传感器的电池寿命之间做出艰难的权衡。随着网络管理器/网关功能吸收了更多的网络智能，网关设计人员需要可靠的、经过验证的解决方案作为成功实现的构建模块。

现场可编程门阵列(fpga)提供了解决这些需求的强大解决方案。供应商为工厂网络协议提供设备、嵌入式处理器、知识产权(IP)和完整的协议栈，为希望实现各种工业应用的公司提供端到端解决方案。

FPGA的优势包括:

• 降低成本-从一个基本硬件设计支持多种产品变体;

• 灵活性- FPGA可以快速重新编程的新功能或提高性能;而且

• 防止过时-相同的硬件可以用于许多客户。

系统框图

基本网络管理器/网关系统包含用于无线通信的现场侧无线电模块、核心系统处理器和在低成本FPGA中实现的通信协处理器。FPGA可以卸载工厂网络上的通信任务，释放系统处理器来处理其他核心任务，如管理网络。在FPGA中实现协议栈允许一个硬件设计支持多个工厂协议。这将最大限度地降低库存成本，因为用户只需储存一个网关变体来支持所需的任何工厂连接。

通过开发一系列插件板来支持多种协议显然是可能的，但标准的数量和它们的不断发展使得储存这种板的成本令人望而却步。在使用标准以太网硬件的情况下，需要开发或移植协议软件以在选定的处理器上运行。这需要时间，而且CPU必须有足够的处理能力来运行应用程序和协议。

该基本系统包含用于无线通信的现场侧无线电模块、核心系统处理器和在FPGA中通过嵌入式处理器实现的通信协处理器。

当需要新的工业以太网芯片(asic或assp)时，创建新的电路板需要新的硬件实现。新的硬件意味着随着每个协议的升级，支持一个板的多个版本，并面临ASIC或ASSP的潜在淘汰。这种类型的解决方案可能很昂贵，难以支持，并且交付新功能的速度很慢。

然而，这些问题可以通过在FPGA中实现工业以太网接口来解决。FPGA的关键优势之一是可重构性;在任何时候，甚至在产品发布之前，在任何工业以太网协议所需的硬件中构建一个电路板和编程。如果需要不同的协议，或者客户的订单发生变化，可以使用新的FPGA配置文件轻松地重新编程FPGA。这种类型的多标准解决方案可以大大降低开发成本，同时最大限度地减少库存和供应链问题。可能需要开发新的软件或硬件来为FPGA创建新的配置文件，但这很容易完成。当使用特定的FPGA开发工具和来自开发合作伙伴的现成IP时，只需要几周的开发时间。

基于fpga的工业以太网

FPGA可以实现以太网接口所需的所有功能。物理(第一层)PHY功能和媒体访问控制器(第二层)MAC功能由FPGA中配置的逻辑处理。更高级别的功能(第三层以上)可以通过在FPGA设计的处理器核心上运行的软件来实现。实现现有应用处理器和FPGA之间的通信通道是通过FPGA逻辑编程、I/O引脚的多标准支持以及广泛的现成接口IP的可用性来完成的。

通常，可以使用软处理器(如I2C、SPI或其他本地并行总线)或系统(如PCI、PCI Express或CANopen)中的现有通信设施与FPGA通信。这种方法只需要最少的计算时间，对运行在现有应用程序处理器上的应用程序软件的更改也很少。它还保留系统软件状态，并为高性能工业以太网堆栈处理提供额外的处理器资源。

FPGA的可编程性使得开发包含两个或多个软微处理器核心的系统变得容易，并能够将应用层集成到FPGA中。这种类型的系统集成减少了整体组件数量、成本和功耗。此外，该设计现在完全基于ip，提供了防止过时的保护，并能够轻松地将设计迁移到新一代fpga。

fpga的实现也提供了硬件加速系统的机会。这通常涉及在FPGA硬件而不是软件中实现计算密集型功能。该系统具有更高的性能、更低的时钟速度和更低的功耗。对于工业以太网，FPGA硬件设计还可以包括加速以太网通信的集线器或类似硬件。

FPGA不仅允许将应用程序任务卸载到用FPGA逻辑实现的处理器或硬件，而且FPGA的灵活性允许在系统中实现新的接口，从简单的通信接口到更复杂的功能，如支持新内存(如DDR3)或最新的通信技术(如蓝牙和PCI Express)。

在FPGA中实现以太网协议栈还有其他几个优点。首先，FPGA的寿命通常超过10年。其次，可以通过在FPGA逻辑中实现较慢的代码来简化与处理器相关的延迟，以加速中断并将系统中的延迟降低最多一到两个数量级。任何其他解决方案都不提供这种强大的功能。

FPGA可以完成以太网接口所需的所有功能。

FPGA设计流程

FPGA配置文件由FPGA设计合成工具生成。这些工具提供了设计、修改和生成FPGA配置所需的所有功能，并使用VHDL、Verilog、原理图、图形化或基于块的设计方法实现设计。这样的设计环境提供了更高水平的生产力，并支持重要的开发特性，例如到硬件仿真工具的接口、硬件运行时调试工具以及系统性能和电源优化功能。

创建一个处理器和以太网MAC硬件设计可能听起来很难，但实际上这是一个相对简单的任务。许多FPGA供应商提供现成的IP和设计工具，以实现简单的“即插即用”以太网MAC和处理器功能。FPGA设计流程已经成熟，包括经过全面测试的核心，以及可以插入到设计中的验证套件，并作为一个整体系统进行验证。

fpga和软微处理器IP为工业以太网协同处理提供了强大的可编程解决方案。fpga支持来自相同基础硬件的任何基于以太网的工业通信协议，以及可编程逻辑设备带来的系统集成、灵活性和过时保护的好处。

Altera公司Industrial/Broadbase业务部门的技术人员对本文做出了贡献。

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构建基于fpga的硬件设计

现场可编程门阵列(FPGA)可以执行以太网接口或网关所需的所有功能。物理(第一层)PHY功能和媒体访问控制器(第二层)MAC功能由FPGA中配置的逻辑处理。更高级别的功能(第3层以上)可以通过运行在处理器核心上的软件来实现，该处理器核心也被放置在FPGA逻辑配置中。实现现有应用处理器和FPGA之间的通信通道是通过FPGA逻辑编程、I/O引脚的多标准支持以及广泛的现成接口IP的可用性来完成的。

创建一个处理器和以太网MAC硬件设计可能听起来很难，但实际上这是一个相对简单的任务。许多FPGA供应商提供现成的IP和设计工具，以实现简单的“即插即用”以太网MAC和处理器功能。FPGA设计工具包括经过全面测试的核心，并配有可插入设计并作为一个整体系统进行验证的验证套件。

在某些情况下，“即插即用”IP工具允许用户使用图形用户界面(GUI)驱动的工具连接不同的功能。这样的工具可以识别正在连接的组件，并可以为整个片上系统解决方案生成HDL代码，只需按一下按钮。这些强大的工具和IP流使设计人员能够使用处理器并添加与外部世界互连所需的任何外设集。

例如，除以太网MAC外，用户还可以选择RS485接口或I2C接口。这种“现成”的方法节省了开发时间和精力，同时通过不使用多余的外设占用宝贵的硅空间来构建最小化成本的处理器。

嵌入式系统中最重要的组件之一是处理器。在工业以太网协议中，要求处理器提供更高层次的功能，如TCP、UDP等。使用嵌入式处理器和开发软件，很容易创建基于处理器的系统，包括以太网MAC IP和/或一系列其他外围组件。例如，您可以创建一个与外部处理器接口的系统，并构建使用不同以太网mac来支持不同工业以太网协议、外部模块的不同接口、甚至具有多个嵌入式处理器用于应用程序处理的系统的变体。

典型的FPGA设计流程可提供更高水平的生产力，并支持重要的开发特性，如系统性能和电源优化功能。

FPGA IP模型

FPGA供应商倾向于与第三方IP提供商合作，以提供对各种工业以太网协议、软件协议栈和其他处理器外设的支持。支持模型因供应商而异。模块化方法可能提供解决方案的各个部分，例如将软件协议栈作为一个模块，将以太网MAC作为一个单独的模块。在此模型中，设计人员负责使用FPGA供应商的工具集成模块。

另一种方法更像是交钥匙解决方案，具有完整的协议栈和作为配置映像提供的FPGA设计。这使得简单易用的FPGA器件可以像现成的ASIC或ASSP一样易于使用。在这两个模型中，API库都包含在C代码中，C代码提供了从主机嵌入式处理器调用FPGA协议栈的接口。

许多供应商还提供基于FPGA的开发工具包，包括带有工业外围设备的电路板，如10/100以太网、CAN、LIN、RS485和其他接口，以及所需的FPGA设计工具和软件编译器，以开发特定的源代码。一些套件还包括可用于实际开发的嵌入式处理器和外围IP。

Altera Corp.的Industrial/Broadbase业务部门的许多技术人员都对本文做出了贡献。

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