可靠穩(wěn)定的通信互聯(lián)是工業(yè)自動(dòng)化的命脈，考慮到工業(yè)設(shè)備里數(shù)量龐大的傳感器和執(zhí)行器，在工業(yè)現(xiàn)實(shí)場景里各種系統(tǒng)、協(xié)議也是種類繁多，一系列的傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)多到數(shù)不勝數(shù)用以傳輸轉(zhuǎn)換整個(gè)流程的數(shù)據(jù)。工業(yè)自動(dòng)化必須考慮到IT系統(tǒng)對于開放數(shù)據(jù)訪問以及實(shí)時(shí)控制的要求。

工業(yè)以太網(wǎng)在這方面已經(jīng)起到了很大的作用，相較現(xiàn)場總線來說提升了大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c同步性。在硬件設(shè)備上，以太網(wǎng)交換設(shè)備由以太網(wǎng)交換芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系統(tǒng)等組成，其中以太網(wǎng)交換芯片是其中一個(gè)很重要的部件。以太網(wǎng)交換芯片為用于交換處理大量數(shù)據(jù)及報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的專用芯片，是針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用優(yōu)化的專用集成電路。通常目前大的交換芯片供應(yīng)商面向商業(yè)用戶的芯片產(chǎn)品協(xié)議支持比較全，功能更強(qiáng)大。

交換芯片集成化

網(wǎng)絡(luò)交換功能通常在以太網(wǎng)的第二層MAC實(shí)現(xiàn)，早期的以太網(wǎng)交換芯片一般都只有MAC層，然后在通過位于以太網(wǎng)第一層的PHY物理層芯片實(shí)現(xiàn)真正的以太網(wǎng)連接。隨著技術(shù)發(fā)展以及用戶對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化需求的提升，將物理層（PHY）和鏈路層（MAC）集成在一起的網(wǎng)絡(luò)交換芯片出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用起來。

目前對于10M/100M交換芯片不少都實(shí)現(xiàn)了這種集成化，在10G交換機(jī)芯片和普通交換機(jī)的千兆口通常仍然要使用專用的物理層芯片。聊到以太網(wǎng)連接那肯定少不了Broadcom，Broadcom在以太網(wǎng)交換芯片領(lǐng)域長期位于領(lǐng)先梯隊(duì)，旗下的以太網(wǎng)交換設(shè)備/交換芯片在業(yè)內(nèi)也是最全的。

要說集成，Broadcom的Roboswitch架構(gòu)以太網(wǎng)交換方案采用5-24端口配置，支持快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)（GbE）。這些高速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)交換方案中，把高速交換系統(tǒng)的所有功能（包括數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)、物理層收發(fā)器、媒體訪問控制器（MAC）、地址管理、基于端口的速率控制和非阻塞交換結(jié)構(gòu)）結(jié)合到單個(gè)CMOS中，這種集成度在工業(yè)應(yīng)用中也是相當(dāng)高的。

（BCM5315x系列，Broadcom）

為了保證協(xié)同工作時(shí)的高數(shù)據(jù)處理能力，交換芯片的內(nèi)部邏輯通路極為復(fù)雜，大廠行業(yè)領(lǐng)先的架構(gòu)會支持100M/1GE/2.5GE和10GE多種速度，利用2.5GbE/10GbE速度實(shí)現(xiàn)高速上行鏈路連接。集成化的交換芯片CPU也直接集成在其中，以便在不添加外部處理器的情況下設(shè)計(jì)支持級聯(lián)模式，單CPU管理的交換平臺。

在數(shù)據(jù)中心場景以及深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，交換芯片的集成度會更高，比如市面上集成度最高帶寬最大的StrataXGS系列，集成的單芯片能夠從數(shù)千兆位擴(kuò)展到數(shù)兆位。

多協(xié)議支持

工業(yè)通訊協(xié)議之多想必大家都知道，支持多協(xié)議的交換芯片在工業(yè)應(yīng)用中無疑是更吃香的，這省去了不少設(shè)計(jì)上的麻煩。ADI的FIDO5100以及FIDO5200兩款多協(xié)議支持的交換芯片是通過個(gè)性化設(shè)置，通過從主機(jī)處理器下載的固件支持所需的協(xié)議，該固件包含在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議交換機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中，在上電時(shí)下載。

（全協(xié)議支持，ADI）

可擴(kuò)展和靈活的配置讓交換芯片可與任何主機(jī)處理器輕松對接，再利用提供的特定協(xié)議的器件驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)劃分，還能夠更自由地利用任何供應(yīng)商的協(xié)議堆棧，只需將該協(xié)議堆棧與多協(xié)議交換芯片驅(qū)動(dòng)程序集成。交換芯片多協(xié)議的支持在工業(yè)自動(dòng)化場景里大大提升了效率。

從未止步的高效數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)需求

不管發(fā)展趨勢如何，交換芯片要實(shí)現(xiàn)的高效傳輸與更低的延遲是從未變過的。尤其在工業(yè)應(yīng)用中運(yùn)控有著非常嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)要求。上面提到的FIDO系列采用定時(shí)器控制單元TCU，用于實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的同步機(jī)制，能支持低至12.5μs的EtherCAT周期時(shí)間和低至31.25μs的PROFINET周期時(shí)間。

Microchip的單芯片VSC75XTSN系列則是集成了對IEEE1588v2精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的完整硬件支持，包括所有PHY-MAC接口的硬件時(shí)間戳和高分辨率硬件PTP時(shí)鐘，為一系列工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用提供亞微秒級的同步。對實(shí)時(shí)高效連接的需求促進(jìn)了交換芯片向更高效的傳輸更低延時(shí)的同步繼續(xù)發(fā)展。

小結(jié)

隨著網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)現(xiàn)場總線和4mA至20mA連接轉(zhuǎn)向工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段出現(xiàn)許多挑戰(zhàn)，這也促進(jìn)了以太網(wǎng)交換芯片的升級，功能強(qiáng)大靈活性高的交換芯片讓工業(yè)應(yīng)用朝著理想中的工業(yè)以太網(wǎng)連接又近了一步。