Два Ethernet-интерфейса в одном микроконтроллере


PDF версия

В статье рассматриваются новые высокопроизводительные телекоммуникационные микроконтроллеры с двумя интерфейсами Ethernet, а также со сдвоенными интерфейсами USB и CAN.

Микроконтроллеры с интерфейсами Ethernet стали незаменимыми во многих встраиваемых системах. Ethernet является важным коммуникационным интерфейсом, начиная с традиционных систем промышленной автоматизации и заканчивая инструментальными средствами.
Серией микроконтроллеров (МК) FM3 на ядре ARM Cortex-M3 MB9BFD10S/T с двумя интерфейсами Ethernet компания Fujitsu открывает новые пути снижения затрат и освоения новых областей применения встраиваемых систем.
Новый высокопроизводительный МК FM3 с двойным Ethernet может, например, использоваться для создания экономически эффективных компонентов линейных или кольцевых топологий сетей (на базе гирляндных цепей), в качестве шлюза для интеллектуальной связи между различными сетями, а также с целью повышения отказоустойчивости систем путем добавления избыточности.

Встроенный шлюз

Ethernet также часто используется для организации внутренней закрытой сети между различным автоматизированным оборудованием и другими встраиваемыми системами. Теоретически, существует возможность получить доступ к данным такой внутренней сети через существующую внешнюю корпоративную сеть, например, для тестирования или контроля. Однако все внутренние сети должны подключаться к корпоративной сети через интеллектуальные шлюзы. Необходимость такого решения объясняется соображениями безопасности, поскольку доступ к внутренней сети должен быть под контролем. Кроме того, все не предназначенные для внутренней сети пакеты данных должны оставаться в корпоративной сети, позволяя тем самым оптимизировать производительность.
На рисунке 1 показана реализация шлюза Ethernet–Ethernet. На практике такая функция шлюза интегрирована во встроенную систему, и это не единственная цель такого решения. Еще одним интересным примером является использование встроенного шлюза для прямого подключения устройства к интернету, например, для удаленного мониторинга и управления. В этом случае одно из двух соединений Ethernet используется в качестве WAN, позволяя контролировать соединение с DSL или кабельным модемом через PPPoE для подключения к интернету.

 

Рис. 1. Встроенная система с функциональностью маршрутизатора между публичной и внутренней сетью

 

Гирляндные цепи

Гирляндные цепи часто используются в АСУТП и системах освещения. В гирляндной цепи несколько устройств связаны друг с другом последовательно (в данном случае через Ethernet). Это позволяет уменьшить количество необходимых кабелей по сравнению с топологией «звезда» и передавать сигналы на большее расстояние, т.к. каждое устройство в гирлянде должно активно передавать входные пакеты, выступая в роли ретранслятора.

Производительность

Активная передача данных, таким образом, естественно включает в себя задержку. Чтобы ее минимизировать, МК с двойным Ethernet должен достигать очень высокого уровня производительности. Микро­конт­рол­леры Fujitsu MB9BD10S/T (см. рис. 2) являются топовыми моделями в группе высокопроизводительных МК семейства FM3. Для достижения необходимого уровня производительности эти МК могут работать на тактовой частоте до 144 МГц и имеют встроенную флэш-память объемом до 1 Мбайт. В настоящее время микроконтроллеры Fujitsu FM3 на ядре ARM Cortex-M3 обладают самой быстрой флэш-памятью, которая способна работать на частотах до 72 МГц без циклов ожидания. Благодаря 64-бит шине и встроенному флэш-ускорителю возможна практически при любых условиях работа флэш-памяти без циклов ожидания на тактовых частотах до 144 МГц. Следовательно, появляется возможность использовать весь потенциал ядра Cortex-M3 и достигнуть производительности 1,25 MIPS/МГц.
Чтобы обеспечить высокую пропускную способность данных в МК, каждый из двух Ethernet MAC связан с выделенным ведущим интерфейсом шины AHB для передачи данных, в то время как конфигурирование Ethernet MAC (которое не влияет на производительность) и внешнего уровня PHY осуществляется через ведомый интерфейс шины AHB.

 

Рис. 2. Блок-диаграмма МК FM3 MB9BD10S/T

Рис. 3. Блок управления электродвигателем и шлюз шины, соединенные в гирляндную цепь

Рисунок 3 иллюстрирует принцип построения гирляндной цепи на примере шлюза и системы управления электродвигателем.
Недостаток гирляндной цепи по сравнению с топологией «звезда» в том, что неисправный узел сети может повлиять на целостность связи во всей сети, т.к. неисправное устройство прекращает передачу пакетов, и все узлы, подключенные за неисправным, становятся недоступными. Такой риск можно минимизировать путем соединения первого и последнего устройства гирлянды в кольцо. Это значит, что любое одно ведущее устройство будет обрабатывать всю гирлянду, передавая данные по кольцу как по, так и против часовой стрелки. Высокие требования к надежности, особенно для сетевых устройств, лучше всего обеспечиваются встроенными в микроконтроллер специальными функциями.

Безопасность и надежность

МК Fujitsu из высокопроизводительной группы семейства FM3 обладают целым рядов специальных возможностей для обеспечения безопасности и надежности сетевого оборудования. Особо следует отметить функцию коррекции ошибок кода (ECC) для встроенной флэш-памяти, которая сама по себе допускает 100 тыс. циклов перезаписи и позволяет хранить информацию в течение 20 лет. Монитор тактовых сигналов и двухуровневый детектор пониженного напряжения питания осуществляют полный контроль над исправностью и стабильностью тактовых генераторов и питания. Доступ к прошивке возможен только через аппаратный блок защиты памяти (MPU). Кроме того, МК FM3 имеют встроенный двухуровневый аппаратный сторожевой таймер, который при первом переполнении генерирует прерывание, а при втором — сброс. Широкий диапазон напряжений питания позволяет без внешних регуляторов использовать МК в системах с питанием 3,3 или 5 В, что повышает надежность за счет увеличения отношения сигнал/шум. Также доступна бесплатная программная библиотека полного самотестирования микроконтроллеров для упрощения разработки надежных и безопасных приложений.

С чего начать?

Комплексная всесторонняя поддержка от производителя МК имеет неоценимое значение, когда дело доходит до разработки сложных встраиваемых приложений с Ethernet или оценки новых компонентов и концепций. Компания Fujitsu упрощает задачу, поставляя стартовые комплекты для тестирования всех функций МК MB9BD10S/T.
Стартовый комплект SK-FM3-176PMC-Ethernet (см. рис. 4) обеспечивает возможность непосредственного использования обоих каналов Ethernet, предоставляя два порта Ethernet PHY от SMSC и соответствующие разъемы Ethernet RJ-45. Кроме того, имеется встроенный контроллер управления электродвигателями, который может управлять тремя 3-фазными двигателями. Также доступны два интерфейса USB с поддержкой host-режима. Один из двух интерфейсов CAN и один из восьми интерфейсов UART можно использовать через соответствующие разъемы на печатной плате.
Компания Fujitsu дополнительно поставляет драйверы практически для всей основной периферии МК. Также доступны интеллектуальные средства разработки и программные библиотеки для интерфейса USB и контроллера управления электродвигателями, которые позволяют намного упростить разработку программного обеспечения.

 

Рис. 4. Стартовый комплект SK-FM3-176PMC-Ethernet

Fujitsu предоставляет такие готовые стеки протоколов TCP/IP как μIP и IwIP для новых функций Ethernet и коммерческих решений SevenStax.
Семейство МК FM3 поддерживает все обычные средства разработки для ядра ARM Cortex-M3 — как коммерческие, так и бесплатные.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *