Khả năng kết nối liên lạc đáng tin cậy và ổn định là huyết mạch của tự động hóa công nghiệp. Với số lượng lớn cảm biến và bộ truyền động trong thiết bị công nghiệp cũng như vô số hệ thống và giao thức phổ biến trong-các tình huống công nghiệp trên thế giới thực, vô số cổng truyền thống được sử dụng để truyền và chuyển đổi dữ liệu trong toàn bộ quá trình. Tự động hóa công nghiệp phải đáp ứng các yêu cầu của hệ thống CNTT về truy cập dữ liệu mở và kiểm soát-thời gian thực.
Ethernet công nghiệp đã đóng một vai trò quan trọng trong vấn đề này, nâng cao đáng kể hiệu quả và đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu quy mô lớn-so với các hệ thống fieldbus. Về phần cứng, thiết bị chuyển mạch Ethernet bao gồm chip chuyển mạch Ethernet, CPU, PHY, PCB và hệ thống con giao diện/cổng, trong đó chip chuyển mạch Ethernet là một thành phần quan trọng. Những con chip này chuyên dùng để chuyển đổi và xử lý khối lượng lớn dữ liệu và chuyển tiếp tin nhắn, đóng vai trò là các mạch tích hợp-được tối ưu hóa cho ứng dụng để kết nối mạng. Các nhà cung cấp chip chuyển mạch lớn thường cung cấp các sản phẩm-thương mại có hỗ trợ giao thức toàn diện và chức năng mạnh mẽ.
Tích hợp chip chuyển đổi
Các chức năng chuyển mạch mạng thường được triển khai tại MAC lớp 2 của Ethernet. Các chip chuyển mạch Ethernet ban đầu thường chỉ chứa lớp MAC, dựa vào chip PHY ở Lớp 1 để thiết lập các kết nối Ethernet thực tế. Với những tiến bộ công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về kiến trúc hệ thống đơn giản hóa, các chip chuyển mạch mạng tích hợp lớp vật lý (PHY) và lớp liên kết (MAC) đã xuất hiện và được áp dụng rộng rãi.
Hiện tại, nhiều chip chuyển mạch 10M/100M đã đạt được sự tích hợp này. Tuy nhiên, chip chuyển mạch 10G và cổng Gigabit trên bộ chuyển mạch tiêu chuẩn vẫn thường yêu cầu chip PHY chuyên dụng. Khi thảo luận về kết nối Ethernet, Broadcom là nhân vật chủ chốt. Broadcom từ lâu đã dẫn đầu trong lĩnh vực chip chuyển mạch Ethernet, cung cấp nhiều loại thiết bị và chip chuyển mạch Ethernet toàn diện nhất trong ngành.
Về tích hợp, giải pháp chuyển mạch Ethernet kiến trúc Roboswitch của Broadcom có 5-24 cấu hình cổng hỗ trợ Fast Ethernet và Gigabit Ethernet (GbE). Trong các giải pháp chuyển mạch Gigabit Ethernet và tốc độ cao-này, tất cả các chức năng của hệ thống chuyển mạch-tốc độ cao-bao gồm bộ đệm gói, bộ thu phát lớp vật lý, bộ điều khiển truy cập phương tiện (MAC), quản lý địa chỉ, kiểm soát tốc độ dựa trên cổng-và cơ cấu chuyển mạch không-chặn chặn- đều được tích hợp vào một chip CMOS duy nhất. Mức độ tích hợp này đặc biệt cao đối với các ứng dụng công nghiệp.
Để đảm bảo khả năng xử lý dữ liệu cao trong các hoạt động cộng tác, các đường dẫn logic bên trong của chip chuyển mạch cực kỳ phức tạp. Kiến trúc-đầu ngành của các nhà sản xuất lớn hỗ trợ nhiều tốc độ bao gồm 100M/1GE/2.5GE và 10GE, sử dụng tốc độ 2,5GbE/10GbE để đạt được kết nối đường lên tốc độ cao-. Chip chuyển đổi tích hợp cũng kết hợp trực tiếp CPU bên trong nó, cho phép thiết kế một nền tảng chuyển mạch được quản lý bằng một CPU duy nhất hỗ trợ chế độ xếp tầng mà không cần bộ xử lý bên ngoài.
Trong các kịch bản trung tâm dữ liệu và ứng dụng mạng deep learning, chip chuyển mạch thậm chí còn đạt được mức tích hợp cao hơn. Ví dụ: dòng StrataXGS có-tích hợp cao nhất, băng thông{2}}cao nhất thị trường có các giải pháp chip đơn-tích hợp có khả năng mở rộng từ vài gigabit đến vài terabit.
Hỗ trợ nhiều giao thức-
Sự phổ biến của các giao thức truyền thông công nghiệp đã được công nhận rộng rãi và các chip chuyển đổi đa giao thức- chắc chắn có sức hấp dẫn lớn hơn trong các ứng dụng công nghiệp, giúp giảm đáng kể độ phức tạp trong thiết kế. Các chip chuyển đổi đa giao thức FIDO5100 và FIDO5200 của ADI-có được hỗ trợ giao thức thông qua cài đặt có thể tùy chỉnh, sử dụng chương trình cơ sở được tải xuống từ bộ xử lý máy chủ. Chương trình cơ sở này được tích hợp vào trình điều khiển chuyển đổi đa giao thức Ethernet-thời gian thực-và được tải xuống trong khi-bật nguồn.
(Hỗ trợ giao thức đầy đủ, ADI)
Cấu hình linh hoạt và có thể mở rộng cho phép chip chuyển đổi giao tiếp liền mạch với bất kỳ bộ xử lý máy chủ nào. Bằng cách tận dụng trình điều khiển thiết bị cho các giao thức cụ thể, nó tạo điều kiện cho việc phân vùng hệ thống linh hoạt đồng thời mang lại sự tự do hơn trong việc sử dụng ngăn xếp giao thức từ bất kỳ nhà cung cấp nào-chỉ cần tích hợp ngăn xếp giao thức với trình điều khiển chip chuyển đổi đa giao thức-. Hỗ trợ đa giao thức của chip chuyển đổi giúp nâng cao đáng kể hiệu quả trong các tình huống tự động hóa công nghiệp.
Không ngừng theo đuổi việc truyền dữ liệu hiệu quả và-nhu cầu về thời gian thực
Bất kể xu hướng công nghệ như thế nào, các yêu cầu cốt lõi về truyền hiệu quả và độ trễ thấp vẫn không đổi đối với chip chuyển mạch. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp nơi điều khiển chuyển động đòi hỏi hiệu suất thời gian thực-nghiêm ngặt. Dòng FIDO nói trên sử dụng Bộ điều khiển hẹn giờ (TCU) để triển khai cơ chế đồng bộ hóa cho các giao thức Ethernet công nghiệp khác nhau, hỗ trợ thời gian chu kỳ EtherCAT thấp tới 12,5μs và thời gian chu kỳ PROFINET thấp tới 31,25μs.
Dòng-chip đơn VSC75XTSN của Microchip tích hợp hỗ trợ phần cứng đầy đủ cho Giao thức thời gian chính xác (PTP) IEEE 1588v2, bao gồm cả tính năng định thời gian phần cứng cho tất cả giao diện MAC PHY-và đồng hồ PTP phần cứng có độ phân giải cao-. Điều này mang lại khả năng đồng bộ hóa dưới-micro giây cho nhiều ứng dụng Ethernet công nghiệp. Nhu cầu về kết nối-thời gian thực, hiệu quả{10}}cao tiếp tục thúc đẩy các chip chuyển đổi hướng tới việc truyền hiệu quả hơn và đồng bộ hóa độ trễ thấp hơn.
Bản tóm tắt
Khi các mạng chuyển đổi từ bus trường truyền thống và kết nối 4mA sang 20mA sang Ethernet công nghiệp, nhiều thách thức sẽ nảy sinh trong giai đoạn thiết kế và triển khai kết nối mạng. Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của chip chuyển mạch Ethernet. Các chip chuyển mạch mạnh mẽ và linh hoạt đưa các ứng dụng công nghiệp đến gần hơn để đạt được kết nối Ethernet công nghiệp lý tưởng.