工業(yè)以太網(wǎng)MPU：解決工業(yè)通信協(xié)議難點

工控領(lǐng)域發(fā)展到今天，各種平臺，各種認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都對我們主控器件的資源和生態(tài)有一定要求。而集成電路進步帶來的系統(tǒng)集成程度提高，使得多片分立元件組成的系統(tǒng)向高度集成化發(fā)展，多個芯片的功能向一顆芯片集中。

MPU從一開始就定位在應(yīng)當(dāng)具有更高的的處理和運算能力。這樣的定位也決定了MPU應(yīng)該具備比較高的主頻和較為強大的運算能力。MPU很早就演進到了32位，現(xiàn)在更是開始大力普及64位。要滿足MPU強大的算力通常需要有大容量的存儲器來配合支撐，也就是配置外設(shè)，外設(shè)配置也是MPU重要的一環(huán)。在高分辨率人機界面、嵌入式視覺、嵌入式人工智能(e-AI) 、實時控制以及工業(yè)以太網(wǎng)連接上MPU都有廣闊的用武之地。這里我們縮小切入范圍，先從工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的MPU著手。

RA RZ/N系列

在RA的研討會上筆者獲悉，RA面對工業(yè)以太網(wǎng)主推的是RZ系列，重點產(chǎn)品是RZ/N系列。

對于復(fù)雜的工業(yè)通訊協(xié)議，N系列做了大量的協(xié)議簡化，形成了統(tǒng)一的通信協(xié)議抽象層，允許用戶在同一平臺上快速從一種協(xié)議切換到另一種協(xié)議。N系列的通信層支持主站和從站的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)通訊，最多攜帶5個以太網(wǎng)口，方便系統(tǒng)搭建和平臺化，標(biāo)準(zhǔn)化。解決工控平臺復(fù)雜繁多的通訊是任何MPU想切入工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須處理好的環(huán)節(jié)。

這個系列的雙核架構(gòu)支持電機算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制分開運行，同時還集成ABS編碼器接口電路。RZ系列還提供BSP和驅(qū)動等以太網(wǎng)底層軟件包。

N系列采用了雙核Cortex-A7架構(gòu)，最高500MHz。同時擁有最高6MB的SRAM，另外搭載了RA的R-IN引擎用于提高網(wǎng)絡(luò)性能。N系列網(wǎng)絡(luò)從站專用控制器可輕松將工業(yè)以太網(wǎng)功能應(yīng)用到現(xiàn)有系統(tǒng)配置中，支持包括TSN在內(nèi)的多種協(xié)議，同時使系統(tǒng)中的CPU免于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)干擾。具體方法是N系列通過提供硬件RTOS單元和硬件以太網(wǎng)加速器來解決CPU的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)干擾。

TI DRV系列

DRV829系列是TI較新的一個系列，下面有J，V，J-Q1等細(xì)分系列，總的來看都是針對工業(yè)以太網(wǎng)推出的新品。嚴(yán)格來說，這個系列是SoC，但是在工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用上這個系列很有特色，所以值得一提。

DRA829系列基于Arm v8 64架構(gòu)，提供了極高的系統(tǒng)集成。雙核64位Arm Cortex-A72微處理器子系統(tǒng)，性能高達(dá)2.0GHz，每個雙核Arm Cortex-A72集群具有1MB L2共享緩存，每個 Cortex-A72內(nèi)核具有32KB L1數(shù)據(jù)緩存和48KB L1指令緩存。

最多四個Arm Cortex-R5F子系統(tǒng)可以管理低級的時序關(guān)鍵型處理任務(wù)，并且可使Arm Cortex-A72不受應(yīng)用的影響。對Arm Cortex-A72的雙核集群配置有助于實現(xiàn)多操作系統(tǒng)應(yīng)用，而且對軟件管理程序的需求非常低。

在存儲上主域中的512KB片上SRAM受ECC保護，另外還有高達(dá)8MB的片上L3 RAM，外部還配置了EMIF模塊。TI的這個系列顯然在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸上優(yōu)勢極大。

STM32MP系列

STM32系列通用32位MPU集成ArmCortex-A 和 Cortex-M兩種內(nèi)核的異構(gòu)架構(gòu)，在實現(xiàn)高性能且靈活的多核架構(gòu)基礎(chǔ)上還能保證低功耗的實時控制和高功能集成度。

STM32MP157F 是ST目前主推工業(yè)以太網(wǎng)的一款MPU。該系列最高到達(dá)800MHz，Cortex-A7處理器包括每個CPU的32 KB一級指令緩存、每個CPU的32 KB一級數(shù)據(jù)緩存和256 KB二級緩存。

STM32MP157F一個突出的優(yōu)勢在于功耗，對于節(jié)能要求嚴(yán)格的場景該系列保證功耗的情況下仍提供豐富的功能。Cortex-A7處理器提供的單線程性能比Cortex-A5高出20%，并提供與Cortex-A9類似的性能。

在存儲方面，STM32MP157F設(shè)備提供外部SDRAM接口，支持高達(dá)8 Gbit的外部存儲器、高達(dá)533 MHz的16或32位LPDDR2/LPDDR3或DDR3/DDR3L。除了包含這些高速嵌入式內(nèi)存，還有APB總線的各種增強型I/O和外圍設(shè)備，諸如AHB總線、32位多AHB總線矩陣和64位多層AXI。

ST MPU的設(shè)計服務(wù)和軟件可用于許多協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如CANopen、CANopen FD、Modbus、PROFIBUS、PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、CC-Link IE、POWERLINK、OPC UA、單對以太網(wǎng)。這種多協(xié)議支持可以讓工程師專注于應(yīng)用開發(fā)，同時將其系統(tǒng)連接到工業(yè)總線。

NXP Layerscape系列

NXP在今年面向工業(yè)自動化的集成時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN的解決方案，支持 CC-Link IE TSN協(xié)議，將千兆以太網(wǎng)帶寬與TSN相結(jié)合，加強工業(yè)以太網(wǎng)的分時通信、性能、安全性和功能。

Layerscape系列MPU就是包含了支持時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN的以太網(wǎng)交換機和以太網(wǎng)控制器的處理器。

Layerscape LS1028A兩個功能強大的64位Arm v8內(nèi)核支持工業(yè)控制的實時處理，內(nèi)置GPU和LCD控制器使HMI系統(tǒng)支持新一代接口。另外，該系列有4端口時間敏感網(wǎng)絡(luò)交換機和2個具有時間敏感網(wǎng)絡(luò)功能的以太網(wǎng)控制器。Layerscape LS1028A的集成架構(gòu)帶有加密分流功能，可提供能夠加密通信的可信平臺，在安全性上也是獨具特色。

Layerscape LS1028A為CC-Link IE TSN網(wǎng)絡(luò)提供從設(shè)備到交換機的完整TSN解決方案，可以幫助整合和統(tǒng)一以太網(wǎng)協(xié)議來實現(xiàn)各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性。

小結(jié)

每家大廠的MPU都有自己的獨到之處，有的軟硬件開發(fā)和認(rèn)證更加便捷，有的平臺方便統(tǒng)一應(yīng)用需求，有的功能覆蓋更齊全。各個大廠也都在建立自己的主控生態(tài)，以滿足工控領(lǐng)域各種平臺化，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的多變需求。