基于Xilinx Zynq-7000 SoC實(shí)現(xiàn)的SoC-e的IP設(shè)計(jì)

背景：

無論是工業(yè)4.0還是工業(yè)IOT（IIOT）系統(tǒng)都依賴于強(qiáng)健的通信網(wǎng)絡(luò)，而HSR和PRP協(xié)議正是用來保證在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施上網(wǎng)絡(luò)的可用性的，主要是因?yàn)檫@兩種協(xié)議的應(yīng)用可以在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)失敗時(shí)保證0延遲的恢復(fù)時(shí)間。而可靠的以太網(wǎng)必然是可以接收很多工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的，這種演變比較有說明力的一個(gè)例子就是國際電子技術(shù)委員會(huì)為了實(shí)現(xiàn)電力變電站的自動(dòng)化（IEC 62439-3 條款4和5）而采用HSR以太網(wǎng)協(xié)議和PRP 協(xié)議，這兩個(gè)協(xié)議都提供零切換延遲時(shí)間，一邊保證不會(huì)使傳輸幀在網(wǎng)絡(luò)失敗或強(qiáng)大的對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管層下丟失。此外，這兩個(gè)協(xié)議都支持IEEE 1588同步冗余路徑。

SoC-e IP 與HSR/PRP協(xié)議 for IIoT APP：

近期，Avnet網(wǎng)站上出現(xiàn)了一篇題為“Zero Downtime industrial IoT Using Programmables SoCs”的新文章，這篇文章討論了一個(gè)基于Xilinx Zynq-7000 SoC （SoC可以為其提供靈活的解決方案）實(shí)現(xiàn)的SoC-e的IP設(shè)計(jì)，而這個(gè)IP可以連接到HSR（High-availability Seamless Redundancy）環(huán)型網(wǎng)絡(luò)和PRP parallel Redundancy Protocol）LAN（局域網(wǎng)），同時(shí)，這個(gè)IP也可以在IEC 61850語境中作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)橋來使用。最后，這篇文章還討論了一個(gè)基于此IP的設(shè)計(jì)Demo，這個(gè)demo就是Avnet基于Zynq開發(fā)的MicroZed 工業(yè)4.0以太網(wǎng)kit（MicroZed I4EK）。

在文章的第一部分作者詳細(xì)闡述了HSR和PRP協(xié)議的主要內(nèi)容：PRP是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而不是在網(wǎng)絡(luò)中上實(shí)現(xiàn)的，PRP節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，這兩個(gè)端口都被稱為DANs（Dual attached Nodes），而每一個(gè)DAN以太網(wǎng)端口都可以連接到兩個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（LAN A和LAN B）之一上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后DANs可以通過兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相同的幀。不同于PRP協(xié)議，HSR冗余則需要依賴于通過一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)方向發(fā)送包文件來實(shí)現(xiàn)。

圖1：PRP冗余協(xié)議

下圖是文章中展示出的一個(gè)HSR環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方框圖：

圖2：HSP Example of ring configuration for Multicast Traffic

不過，如PRP一樣，每一個(gè)HSR網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，并作為一個(gè)HSR的雙重附加節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)中。在HSR 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包需要向兩個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)傳輸，所以，當(dāng)數(shù)據(jù)包連續(xù)傳輸?shù)剿心康牡貢r(shí)，一旦在網(wǎng)絡(luò)的任何地方發(fā)生單斷裂，都可以被探測(cè)到。方框圖中的紅盒子是一個(gè)常規(guī)的缺乏DANN網(wǎng)絡(luò)連通性的以太網(wǎng)設(shè)備而配置的DANN適配器（對(duì)于只有一個(gè)以太網(wǎng)端口的設(shè)備，PRP協(xié)議也支持紅盒子思想）。

所以，IIoT工業(yè)系統(tǒng)中往往會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)HSR和PRP協(xié)議，以便可以增加網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的可靠性和安全性（所有這些特點(diǎn)在IIoT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都已明確表明）。

在文章剩余部分主要描述SoC-e的HSR.PRP轉(zhuǎn)換IP，這個(gè)IP是基于Avnet 的MicroZed SOM上的ZynqSoC芯片中的可編程部分實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然，MicroZed SOM也是Avnet MicroZed I4EK的一部分。

總結(jié)：

關(guān)于以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)往往比較復(fù)雜，對(duì)可靠傳輸?shù)囊笠脖容^高，但是為了保證可靠傳輸采取的策略也比較廣泛，而上文中提到的這篇文章中，通過FPGA來實(shí)現(xiàn)保證以太網(wǎng)可靠傳輸?shù)膬蓚€(gè)協(xié)議，并將其封裝為一個(gè)IP的形式，確實(shí)可以將FPGA的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用中，雙方互利，不失為一種更好的實(shí)現(xiàn)方式。