环形工业以太网交换机的实时性设计

介绍了一种基于FPGA的环形工业以太网交换机的实时性系统设计方案。针对环形工业以太网的特点,以FPGA的NIOS软核为核心,采取软件CPU与硬件控制电路协同配合工作的方法,并利用FPGA的硬件电路可高速并行工作的特点,实现了实时的数据帧转发处理。可保证采用此交换机方案的环形总线的通信周期小于40μs,满足NCUC-BUS现场总线协议对理想通信周期的要求。

《业控制计算机/ 0 0年第 2工 21 3卷第 5期

环形工业以太网交换机的实时性设计R a— i y t m De i f L o I d s r l t e n tS t h r e lt— me S s e sgn o o p n u ti E h r e wi e a c

徐迪宇杨立志 (深圳清华大学研究院，东深圳 5 8 5 )广 10 7摘要

介绍了一种基于 F GA的环形工业以太网交换机的实时性系统设计方案。针对环形工业以太网的特点，以 F G的 P P A

NI OS软核为核心，采取软件 CP与硬件控制电路协同配合工作的方法，并利用 F GA的硬件电路可高速并行工作的特 U P点，实现了实时的数据帧转发处理。可保证采用此交换机方案的环形总线的通信周期小于 4 s, O满足 NCUC—BUS现场总线协议对理想通信周期的要求。 关键词：业以太网，形，工环交换机，实时Ab ta t sr c Re—t s sem de i me h d o lop n s r E h m e s t e i r e ened Du t te al i me y t sgn to f o idu ti al t e t wi ch r s eprs t al o h ch acer of oo i— ar t s l p n

du til h n t nd he gh—s ed s r Eter e a t hi a pe pa all r l wor ig mode of a d e kn h r war o FP e f GA, s on ba ed NI s t e or i FP OS of war c e n GA, ac o—o pert metod ai on h of ot s f war a d ar e n h dwa e s r i us d o s a ih r l i d a r e t e t bl a ea—t s me at fame e— r s isonT s wi h r tan m s i hi s t er c ca en ur h m m u ia i c cl t b l s t an 0Fs n lop-bu idu ti n t r n s e t e co nc t on y e o e es h 4 i a o s n sr al e wo k Ke wor: du til t er tlop—bu s t he, l i y dsi n s r E h ne, a o s,wi

c rr—t ea me

为提高我国装备工业的技术实力，国家发改委的支持下，在

二为单播帧：帧目的地址为唯一确定的从设备，该目的从设备负责更新单播帧的内容，他从设备只原样转发该帧；其 三为广播帧：帧命令所有从设备执行控制命令，后原样该最返回主设备；

国内几家公司联合开始了自主知识产权的工业现场总线技术的研发，支持国家装备工业的发展。内自主开发的工业现场总以国

线(以下简称为 NC C— U采用快速以太网的体系架构。由 U B S)

于工业现场总线交换机特殊的应用环境，交换机对实时通信的要求较高。环形总线来说，其中合理地使用交换剂可以有效对在改善传输延时。传统的快速以太网交换机大都采用软件来实现数据包的存储和转发，但是由于软件固有的指令顺序执行以及中断处理技术的特点，据包的转发需要一定的延迟。于国内数对 工业数控现场总线系统固有的“形”构来说，些延时的叠环结这加严重影响了系统性能。减少数据包转发的延时，以用硬件为可

四为火车帧：帧包含所有从设备的固定数据字段，设备该从

在接收到该帧后负责更新与之相对应的数据字段，并发往下一个从站。 1交换机改善环形总线传输延时的策略 . 2在原环形系统中使用交换机后，用一种“拟环”术消采虚技除了从设备数量对总线延时的影响。“拟环”虚，是指从逻辑上

看，据帧的传输依然是在双环形网络中进行 (图 1;是，数见 )但 从物理层实际拓扑关系来看，该方案在主设备和从设备之间增加了特殊的交换机 ( MC— B交换机 )主设备经由交换机即 HU,级联端口与交换机连接，从设备经由其它数据端口与交换机连接，成了一种星形的网络拓扑结构。过特别设计的数据帧转形通发机制，— B实现了数据帧的环形逻辑传输，而从时间上 MC HU

设计来辅助甚至替代软件数据包转发。利用硬件并行工作的优

势降低数据包的存储转发时间，高系统性能。提1实时

性设计的原理和方法 11现场总线系统的特点和要求分析 .

根据《机床数控系统 N C— U现场总线协议规范》于 CU B S关物理层的规定， CU B S现场总线的设备由主设备和从设 N C~ U备组成。设备为网络中发起通信的设备，一个网络中有且仅主在有一个，有两个网口，个用于向环路发送数据帧，一个用具一另

看， MC— B设备将主站发出的数据帧同时传输给所有的从 HU站。采用该方案后，系统延时主要集中在单个数据包的转发上，而与从设备数量关系减弱。Mc - l H B一一一………~~~,.

于从环路中接收返回的数据帧。除主设备外，它接入 N C 其 CU— B S网络的设备都是从设备。每个从设备也有两个网口，别 U分用于环路数据帧的接收和发送。由于每个网口都有独立的收发通道，个网口实际上具备两条方向相反的环形链路，以其典两所

—二…—

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型逻辑网络结构为“环形”或称为“花链”,数据帧也相双 (菊 )其应地要从主站的一个网口出发，序经过所有从站，后回到主顺最图 1“拟环”络拓扑结构图 虚网

从站 n

站另一个网口。

采用交换机后，交换机收发数据帧所耗用的时间会对环形总线的通信周期 (即数据帧从主设备发出到数据帧返回主设备的时间 )成负面的影响。因而，尽量利用硬件电路的速度优造可

《范》规在应用层规定的数据帧类型按照数据处理方式大致可划分为 4种，以数据帧中的命令字段 (mi) c d区分。一

为配置帧：帧给所有从设备分配 MAC地址，主设备该使

势，转发数据帧的过程中尽量用硬件电路来处理，在以达到转发加速的目的。在四种数据帧中，只有配置帧必须用软件处理，因为交换机必须顺序依次向各个网口发送此帧并根据返回的数据

掌握整个环路中从设备的数量和地址，系统工作做好准备，为所有从设备收到配置帧后都要更新数据后发出；