智能世代的工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片解決方案

智能家居、智能辦公室、智能工廠、智能城市、智能交通、…，身處于一個(gè)隨時(shí)隨地皆可上網(wǎng)的智能世代，亞信電子為個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)與智能嵌入式連網(wǎng)設(shè)備，提供容易設(shè)計(jì)、高性價(jià)比的工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片解決方案。?

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進(jìn)入智能世代 -?嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)計(jì)算機(jī)

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由于智能手機(jī)、平板電腦與4G/5G行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的普及，每個(gè)人隨時(shí)隨地皆可上網(wǎng)。在智能家居與智能辦公室中，隨處可以看到需要連網(wǎng)的設(shè)備，包含智能電視、智能音箱、智能家電、智能電表、電視機(jī)上盒、監(jiān)視器，與辦公室的多功能印表機(jī)、投影機(jī)等。這些智能連網(wǎng)設(shè)備，大部分皆采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地降低產(chǎn)品耗電量、體積大小與硬件設(shè)計(jì)成本等。

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全球制造業(yè)為了因應(yīng)COVID-19新冠肺炎疫情造成的沖擊，也為了提高工廠生產(chǎn)效率與產(chǎn)品制造品質(zhì)，紛紛導(dǎo)入智能工廠生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)，為工業(yè)智能自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備廠商帶來強(qiáng)大的市場需求。傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)設(shè)備，主要是使用RS-232、RS-422與RS-485串口的傳輸接口。因此，智能工廠中不可或缺的工業(yè)計(jì)算機(jī)，都會(huì)支持多個(gè)串口，以連接傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)設(shè)備。另外，為了因應(yīng)智能生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備對資料傳輸確定性與實(shí)時(shí)性通信的嚴(yán)格要求，最新的工業(yè)計(jì)算機(jī)與工廠自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，一般也都必須支持可實(shí)時(shí)性、確定性網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等。

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計(jì)算機(jī)匯流排技術(shù)的大躍進(jìn)

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隨著計(jì)算機(jī)科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)周邊接口匯流排技術(shù)也日新月異，從1981年IBM PC發(fā)布8位ISA匯流排技術(shù)，最大傳輸速度為8 MB/s；1992年進(jìn)化到32位PCI匯流排技術(shù)，最大傳輸速度為132 MB/s；2003年計(jì)算機(jī)匯流排技術(shù)，演進(jìn)到通信接口更簡單、傳輸速度更快的PCI Express 1.0串列匯流排技術(shù)（簡稱PCI-E或PCIe），可支持X1/X4/X8/X16傳輸通道，X16通道雙工最大傳輸速度可達(dá)8 GB/s；2019年推出最新的PCI Express 5.0匯流排技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，X16通道雙工最大傳輸速度更可達(dá)63 GB/s。一般PCI 32位匯流排技術(shù)，最大傳輸速度為132 MB/s，通信接口需要124引腳；最新的PCIe 5.0串列匯流排技術(shù)，X1通道雙工最大傳輸速度為3938 MB/s，通信接口只需要36引腳；X16通道通信接口也只需要164引腳。在計(jì)算機(jī)科技追求輕薄短小、高傳輸頻寬的大趨勢下，PCIe計(jì)算機(jī)周邊產(chǎn)品逐漸取代PCI周邊產(chǎn)品已經(jīng)是必然發(fā)生的事實(shí)。計(jì)算機(jī)匯流排技術(shù)的大躍進(jìn)，儼然成為各種計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備技術(shù)進(jìn)步的堅(jiān)強(qiáng)基石。

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筆記型計(jì)算機(jī)講求可攜帶性、輕薄短小與省電，因此筆記型計(jì)算機(jī)演進(jìn)出不同的擴(kuò)展設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從1991年由PCMCIA協(xié)會(huì)發(fā)布的16位PCMCIA擴(kuò)展槽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，演變到32位的Cardbus與Express Card擴(kuò)展槽技術(shù)，可滿足筆記型計(jì)算機(jī)擴(kuò)展周邊設(shè)備的基本需求。然而，2000年USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，由于USB通信接口（只需要4引腳）很簡單，而且最大傳輸速度可達(dá)480 Mbps，因此在市場上USB周邊產(chǎn)品已逐漸取代PCMCIA/Cardbus/Express Card相關(guān)周邊產(chǎn)品。?2019年最新推出的USB 4.0標(biāo)準(zhǔn)，使用USB Type-C通信接口只需要24引腳，最大傳輸速度更可達(dá)40 Gbps。?USB通用串列匯流排技術(shù)，支持熱插拔（Hot-Swap）、隨插即用（Plug & Play）與可大電流快速充電的便捷功能，因此已經(jīng)廣泛使用于各種計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備、智能手機(jī)、平板電腦、手持式裝置、智能連網(wǎng)設(shè)備等，成為現(xiàn)代智能世代科技中最重要的通信接口之一。

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（圖一）計(jì)算機(jī)總線技術(shù)進(jìn)化史

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工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片

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無論桌上型計(jì)算機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)，還是生活周遭無所不在的智能連網(wǎng)設(shè)備，都需要支持有線或無線的網(wǎng)絡(luò)連線功能。有線以太網(wǎng)相對于無線網(wǎng)絡(luò)來說，可以提供更穩(wěn)定更快速地網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。因此，大部分桌上型計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)與不需移動(dòng)位置的智能連網(wǎng)設(shè)備，大部分連網(wǎng)接口仍然以有線以太網(wǎng)為主。

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亞信電子為一專業(yè)的工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片設(shè)計(jì)制造廠商。亞信于1998年推出PCMCIA百兆以太網(wǎng)芯片，隨著市場需求與計(jì)算機(jī)匯流排技術(shù)的演變，陸續(xù)推出Non-PCI/SPI嵌入式以太網(wǎng)芯片、超高速USB以太網(wǎng)芯片、工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站控制芯片、TSN PCIe千兆以太網(wǎng)卡等工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)芯片解決方案；同時(shí)提供PCIe/USB轉(zhuǎn)串并口I/O橋接芯片與RS-232/RS-485 UART接收器等I/O橋接芯片解決方案。這些解決方案，可適用于各種計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備、智能家居、智能辦公室、智能連網(wǎng)設(shè)備、智能工廠自動(dòng)化設(shè)備與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接器相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。

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（圖二）亞信電子工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片解決方案

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PCIe/USB串并口I/O橋接芯片

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最新的計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU），隨著計(jì)算機(jī)周邊匯流排技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)不再支持傳統(tǒng)的串口（COM）與并口（LPT）通信接口。如果需要將傳統(tǒng)型串口或并口設(shè)備，連接到桌上型計(jì)算機(jī)或筆記型計(jì)算機(jī)，就可以透過PCIe/USB轉(zhuǎn)串并口橋接芯片，來支持傳統(tǒng)的串口與并口。智能工廠中的工業(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備，透過PCIe/USB轉(zhuǎn)串口橋接芯片，即可輕松地支持多個(gè)串口功能。

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亞信電子提供兩個(gè)PCIe/USB轉(zhuǎn)串并口I/O橋接芯片解決方案: AX99100 PCIe串并口I/O橋接控制器和AX78140/AX78120 USB串并口橋接控制器。這些方案可適用于各種工業(yè)計(jì)算機(jī)與I/O接口連接器等產(chǎn)品相關(guān)應(yīng)用。?AX99100 PCIe串并口I/O橋接控制器，除了可以支持PCIe轉(zhuǎn)串并口（4串/2串1并）的典型應(yīng)用外，另外可支持PCIe轉(zhuǎn)SPI、GPIO、Local Bus（ISA）I/O接口橋接功能，可適用于PCIe資料搜集與通信卡、PCIe影像擷取卡、PCIe轉(zhuǎn)CAN通信接口等相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。 AX78140/AX78120 USB串并口橋接控制器，可以支持USB轉(zhuǎn)串并口（4串/2串1并/2串/1串）等產(chǎn)品應(yīng)用。亞信同時(shí)提供RS-232/RS-485 UART收發(fā)器，可以搭配PCIe/USB轉(zhuǎn)串口橋接控制器一起做產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)。

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Non-PCI/SPI?嵌入式以太網(wǎng)芯片

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部分嵌入式系統(tǒng)微控制器（MCU），沒有內(nèi)置以太網(wǎng)接口功能，礙于嵌入式產(chǎn)品機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，也無法直接插入PCIe/PCI以太網(wǎng)卡。因此，這些嵌入式系統(tǒng)會(huì)使用SRAM-like或SPI接口，連接Non-PCI/SPI嵌入式以太網(wǎng)芯片來支持以太網(wǎng)連線功能。

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亞信電子除了提供全球首款高效能嵌入式AX88180 Non-PCI 32位千兆以太網(wǎng)控制芯片，也提供AX88796C低功耗 SPI或 Non-PCI以太網(wǎng)控制芯片解決方案。這個(gè)方案可適用于各種智能家居、智能辦公室與智能連網(wǎng)設(shè)備等相關(guān)嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用，如智能電視、電視機(jī)上盒、監(jiān)視器、多功能印表機(jī)、投影機(jī)等。

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超高速USB以太網(wǎng)芯片

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最新的筆記型計(jì)算機(jī)都講求輕薄短小，因此無法內(nèi)置以太網(wǎng)接口，所以連網(wǎng)方式都以無線網(wǎng)絡(luò)為主。然而，在有些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可能無法提供穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)，或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度太慢。在這種情況下，使用者可以透過連接USB以太網(wǎng)卡或USB多功能擴(kuò)展底座（Docking Station），來提供穩(wěn)定且高傳輸速度的有線連網(wǎng)功能。

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亞信提供的AX88179全球首款USB 3.0千兆以太網(wǎng)控制單芯片，將USB 3.0實(shí)體層、千兆以太網(wǎng)實(shí)體層（PHY）與媒體存取控制器（MAC）整合在單一芯片中。這個(gè)方案可適用于各種有支持USB接口的計(jì)算機(jī)/嵌入式作業(yè)系統(tǒng)（Windows 10/MacOS/Linux/Android/Chrome/etc.），如桌上型計(jì)算機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、USB以太網(wǎng)卡、USB多功能擴(kuò)展底座、智能手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)與各種智能連網(wǎng)設(shè)備等。

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（圖三）亞信USB以太網(wǎng)芯片解決方案 for?任天堂Switch

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工業(yè)以太網(wǎng)芯片

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傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，使用載波偵測多重存取/碰撞偵測（CSMA/CD）通信協(xié)定進(jìn)行資料傳輸，具有不確定性與實(shí)時(shí)性能不佳的問題，因此不適用于對資料傳輸確定性與實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的智能工廠生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用需求。為了克服標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)無法支持實(shí)時(shí)性、確定性工業(yè)通信的問題，全球主要工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商，各自提出不同的工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)解決方案，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP、POWERLINK、SERCOS、CC-Link IE等。這些不同的工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)資料傳輸不確定性與實(shí)時(shí)性能不佳的問題，尤其是EtherCAT技術(shù)透過獨(dú)特的硬件實(shí)時(shí)資料傳輸技術(shù)，可以輕松地達(dá)到智能工廠生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備對工業(yè)通信實(shí)時(shí)性、確定性的嚴(yán)格要求。

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亞信電子因應(yīng)工業(yè)4.0智能制造的強(qiáng)大需求，積極致力于工業(yè)以太網(wǎng)芯片的研究開發(fā)，從2018年陸續(xù)推出大中華區(qū)首款A(yù)X58100 EtherCAT從站控制器芯片、首款A(yù)X58200 EtherCAT從站專用通信SoC與最新的AXM57104 TSN PCIe千兆以太網(wǎng)卡等工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。這些方案可適用于各種智能工廠生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。

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以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù) （EtherCAT）

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以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)（EtherCAT）是一個(gè)開放性架構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最早于2003年由德國的Beckhoff Automation公司所提出，同年成立EtherCAT工作小組（ETG），并迅速發(fā)展成為全球最大的工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線（Fieldbus）組織。EtherCAT使用獨(dú)特的「飛速傳輸（Processing on the fly）」數(shù)據(jù)交換機(jī)制，具有資料傳輸時(shí)間延遲低、同步時(shí)鐘抖動(dòng)低、硬件架構(gòu)成本低與靈活的網(wǎng)絡(luò)拓樸（線形、樹形、星形及菊花鏈形）等優(yōu)點(diǎn)。全球各主要工業(yè)計(jì)算機(jī)供應(yīng)商，因應(yīng)智能工廠生產(chǎn)自動(dòng)化的強(qiáng)大需求，紛紛推出各種EtherCAT相關(guān)產(chǎn)品解決方案，更奠定了EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)在全球現(xiàn)場總線自動(dòng)化市場的領(lǐng)先地位。

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AX58x00系列EtherCAT從站芯片提供客戶一個(gè)容易設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)有效的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT從站解決方案。AX58100是一款2/3端口EtherCAT從站控制器，整合兩個(gè)百兆以太網(wǎng)PHY，并支持一些額外的控制接口，例如32個(gè)數(shù)位控制I/O、脈沖寬度調(diào)變（PWM）、增量（ABZ）/霍爾編碼器、SPI Master等，讓客戶可以不需要額外微控制器，就能輕松地將AX58100設(shè)計(jì)在各種EtherCAT現(xiàn)場總線產(chǎn)品應(yīng)用中。AX58100同時(shí)支持Local Bus與SPI Slave過程數(shù)據(jù)接口（PDI），連接到傳統(tǒng)現(xiàn)場總線產(chǎn)品的微控制器，就可以輕松地支持EtherCAT從站功能。AX58200是一款2/3端口EtherCAT從站專用通信SoC，以ARM? Cortex?-M4F微控制器為核心，內(nèi)置的EtherCAT從站控制器，整合兩個(gè)百兆以太網(wǎng)PHY，并支持含RMII接口與硬件加密引擎的10/100 Mbps百兆以太網(wǎng)MAC、高速USB OTG與SPI/UART/I2C/I2S/CAN/PWM等各種通信接口。這些方案可適用于各種實(shí)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品相關(guān)應(yīng)用，如馬達(dá)/運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)位I/O控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人轉(zhuǎn)軸控制、EtherCAT轉(zhuǎn)IO-Link主站網(wǎng)關(guān)與EtherCAT Junction從站模塊等。

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因應(yīng)全球制造業(yè)對人機(jī)協(xié)作（Human-Robot Collaboration，HRC）智能生產(chǎn)自動(dòng)化的市場需求，亞信電子推出AxRobot EtherCAT七軸助力控制機(jī)器手臂解決方案，以加速客戶導(dǎo)入EtherCAT工業(yè)通信技術(shù)于協(xié)作型機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。這個(gè)解決方案，使用亞信AX58200 EtherCAT從站馬達(dá)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊化設(shè)計(jì)，有效地減少每個(gè)機(jī)器手臂關(guān)節(jié)中馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板所需占用的空間大小，并可降低機(jī)器手臂關(guān)節(jié)硬件設(shè)計(jì)成本。另外，利用EtherCAT菊花鏈（Daisy-Chain）拓?fù)溥B接技術(shù)，進(jìn)行機(jī)器手臂關(guān)節(jié)間的網(wǎng)絡(luò)通信，可以簡單地使用網(wǎng)絡(luò)線從第一軸關(guān)節(jié)一直串連到第七軸關(guān)節(jié)，大大地簡化機(jī)器手臂關(guān)節(jié)中內(nèi)部線路配置的復(fù)雜度，從而降低機(jī)器手臂設(shè)備維護(hù)的成本與難度。

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（圖四）亞信AxRobot EtherCAT七軸助力控制機(jī)器手臂解決方案

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時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）

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一個(gè)理想的工業(yè)4.0智能工廠管理系統(tǒng)，應(yīng)該要可以收集所有產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、原物料供應(yīng)鏈、產(chǎn)品庫存、運(yùn)輸與銷售渠道等智能制造相關(guān)即時(shí)信息，利用這些產(chǎn)品生產(chǎn)制造與銷售庫存即時(shí)資訊，工廠可以對所有公司營運(yùn)資源進(jìn)行有效管理，進(jìn)而創(chuàng)造一個(gè)具備高彈性、高效率的智能工廠自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境。為了收集這些即時(shí)的智能制造相關(guān)信息，制造商需要將非實(shí)時(shí)性的資訊技術(shù)（IT）與實(shí)時(shí)性的營運(yùn)技術(shù)（OT）融合于同一網(wǎng)絡(luò)，將所有即時(shí)信息傳送到云端伺服器以便全盤統(tǒng)一管理。最新一代的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)?－「時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）」通信協(xié)定，是符合IEEE 802.1規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的延伸技術(shù)，利用一系列最新的TSN工業(yè)通信協(xié)定標(biāo)準(zhǔn)，可以在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上，提供實(shí)時(shí)性、確定性與安全性的工業(yè)通信傳輸，進(jìn)而輕松地將IT與OT融合于同一網(wǎng)絡(luò)中。

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AXM57104是一款高性價(jià)比的4端口TSN PCI Express千兆以太網(wǎng)卡，符合PCI Express 2.1 Gen 1標(biāo)準(zhǔn)，支持符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的各種時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）進(jìn)階功能，包含IEEE 802.1AS-Rev時(shí)效性應(yīng)用之時(shí)序與同步，IEEE 802.1Qav時(shí)間敏感資料流轉(zhuǎn)發(fā)以及佇列（FQTSS）：特定Credit-Based Shaper（CBS），IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知整形器（TAS）與IEEE 802.1Qci逐一串流過濾與管理（PSFP）等。?AXM57104支持在線應(yīng)用可程式（IAP）功能可輕松實(shí)現(xiàn)在線更新固件韌體，并支持32個(gè)同步I/O與1個(gè)每秒脈沖（PPS）信號輸出。透過在Linux工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺安裝AXM57104 TSN PCIe千兆以太網(wǎng)卡，可以輕松地支持最新一代的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)?－ 時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）進(jìn)階功能，將IT與OT融合于同一網(wǎng)絡(luò)中。

（圖五）亞信AXM57104 TSN PCIe千兆以太網(wǎng)卡解決方案

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結(jié)論

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智能家居、智能辦公室、智能工廠、智能城市、智能交通、…，身處于一個(gè)隨時(shí)隨地皆可上網(wǎng)的智能世代，亞信電子為個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)與智能嵌入式連網(wǎng)設(shè)備，提供容易設(shè)計(jì)、高性價(jià)比的工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片解決方案。隨著計(jì)算機(jī)/工業(yè)自動(dòng)化/智能連網(wǎng)設(shè)備科技的持續(xù)演變，亞信電子對于工業(yè)/嵌入式網(wǎng)絡(luò)與I/O橋接芯片技術(shù)，必然會(huì)與時(shí)俱進(jìn)地推出符合最新工業(yè)/嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新產(chǎn)品。讓我們拭目以待未來的科技潮流會(huì)如何創(chuàng)造一個(gè)全新的智能世代…

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