L’interconnettività di comunicazione affidabile e stabile è la linfa vitale dell’automazione industriale. Dato l'elevato numero di sensori e attuatori all'interno delle apparecchiature industriali e la moltitudine di sistemi e protocolli prevalenti negli scenari industriali-del mondo reale, vengono utilizzati innumerevoli gateway tradizionali per trasmettere e convertire i dati durante l'intero processo. L'automazione industriale deve tenere conto dei requisiti dei sistemi IT per l'accesso ai dati aperti e il controllo-in tempo reale.
Industrial Ethernet ha svolto un ruolo significativo in questo senso, migliorando sostanzialmente l'efficienza e la sincronizzazione della trasmissione di dati su larga-scala rispetto ai sistemi di bus di campo. Dal punto di vista hardware-, le apparecchiature di commutazione Ethernet comprendono chip di commutazione Ethernet, CPU, PHY, PCB e sottosistemi di interfaccia/porta, dove il chip di commutazione Ethernet è un componente fondamentale. Questi chip sono specializzati per la commutazione e l'elaborazione di grandi volumi di dati e l'inoltro di messaggi e fungono da circuiti integrati-ottimizzati per l'applicazione per il networking. I principali fornitori di chip per switch offrono in genere prodotti di livello commerciale-con supporto completo del protocollo e funzionalità affidabili.
Integrazione del chip di commutazione
Le funzioni di commutazione di rete sono generalmente implementate sul MAC Layer 2 di Ethernet. I primi chip degli switch Ethernet generalmente contenevano solo il livello MAC, facendo affidamento sui chip PHY al livello 1 per stabilire connessioni Ethernet effettive. Con i progressi tecnologici e la crescente domanda da parte degli utenti di architetture di sistema semplificate, sono emersi e hanno ottenuto un'adozione diffusa i chip di commutazione di rete che integrano il livello fisico (PHY) e il livello di collegamento (MAC).
Attualmente, molti chip switch 10M/100M hanno raggiunto questa integrazione. Tuttavia, i chip degli switch 10G e le porte Gigabit sugli switch standard richiedono ancora in genere chip PHY dedicati. Quando si parla di connettività Ethernet, Broadcom è un attore chiave. Broadcom è da tempo leader nel settore dei chip per switch Ethernet, offrendo la gamma più completa del settore di apparecchiature e chip per switch Ethernet.
Per quanto riguarda l'integrazione, la soluzione di switching Ethernet con architettura Roboswitch di Broadcom presenta configurazioni a 5-24 porte che supportano Fast Ethernet e Gigabit Ethernet (GbE). All'interno di queste soluzioni di commutazione Gigabit Ethernet e ad alta-velocità, tutte le funzioni di un-sistema di commutazione ad alta velocità-compresi buffer di pacchetti, ricetrasmettitori di livello fisico, controller di accesso ai media (MAC), gestione degli indirizzi, controllo della velocità basato sulla porta-e struttura di commutazione non bloccante-sono integrate in un singolo chip CMOS. Questo livello di integrazione è eccezionalmente elevato per le applicazioni industriali.
Per garantire un'elevata capacità di elaborazione dei dati durante le operazioni collaborative, i percorsi logici interni del chip dello switch sono estremamente complessi. Le architetture-leader del settore dei principali produttori supportano velocità multiple, tra cui 100M/1GE/2.5GE e 10GE, utilizzando velocità 2.5GbE/10GbE per ottenere connessioni uplink ad alta-velocità. Il chip dello switch integrato incorpora inoltre una CPU direttamente al suo interno, consentendo la progettazione di una piattaforma di switching gestita con una singola-CPU-che supporta la modalità a cascata senza richiedere un processore esterno.
Negli scenari dei data center e nelle applicazioni di rete di deep learning, i chip switch raggiungono livelli di integrazione ancora più elevati. Ad esempio, la serie StrataXGS con la maggiore-integrazione e la massima-larghezza di banda del mercato presenta soluzioni integrate a chip singolo-in grado di scalare da diversi gigabit a diversi terabit.
Supporto multiprotocollo-
La prevalenza dei protocolli di comunicazione industriale è ampiamente riconosciuta e i chip di commutazione multi-protocollo hanno senza dubbio un maggiore appeal nelle applicazioni industriali, riducendo significativamente le complessità di progettazione. I chip switch multiprotocollo FIDO5100 e FIDO5200 di ADI- ottengono il supporto del protocollo tramite impostazioni personalizzabili, utilizzando il firmware scaricato dal processore host. Questo firmware è integrato nel driver dello switch-multiprotocollo Ethernet in tempo reale-e viene scaricato durante l'accensione-.
(Supporto completo del protocollo, ADI)
Configurazioni scalabili e flessibili consentono al chip dello switch di interfacciarsi perfettamente con qualsiasi processore host. Sfruttando i driver di dispositivo per protocolli specifici, facilita il partizionamento flessibile del sistema offrendo allo stesso tempo una maggiore libertà di utilizzare stack di protocolli di qualsiasi fornitore-basta integrare lo stack di protocolli con il chip driver dello switch multi-protocollo. Il supporto multi-protocollo del chip dello switch migliora significativamente l'efficienza negli scenari di automazione industriale.
Ricerca incessante di una trasmissione efficiente dei dati e di richieste in tempo reale-
Indipendentemente dalle tendenze tecnologiche, i requisiti fondamentali per una trasmissione efficiente e una bassa latenza rimangono costanti per i chip switch. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni industriali in cui il controllo del movimento richiede prestazioni rigorose in tempo reale-. La suddetta serie FIDO utilizza un'unità di controllo timer (TCU) per implementare meccanismi di sincronizzazione per vari protocolli Ethernet industriali, supportando tempi di ciclo EtherCAT fino a 12,5 μs e tempi di ciclo PROFINET fino a 31,25 μs.
La serie VSC75XTSN a chip singolo-di Microchip integra il supporto hardware completo per il protocollo PTP (Precision Time Protocol) IEEE 1588v2, incluso il timestamp hardware per tutte le interfacce PHY-MAC e un orologio PTP hardware ad alta-risoluzione. Ciò fornisce una sincronizzazione inferiore al-microsecondo per una gamma di applicazioni Ethernet industriali. La richiesta di connettività in tempo reale e ad alta efficienza continua a spingere i chip switch verso una trasmissione più efficiente e una sincronizzazione a latenza inferiore.
Riepilogo
Con la transizione delle reti dal tradizionale bus di campo e dalle connessioni da 4 mA a 20 mA all'Ethernet industriale, sorgono numerose sfide durante le fasi di progettazione e implementazione della connettività di rete. Ciò ha guidato l’evoluzione dei chip degli switch Ethernet. I chip switch potenti e flessibili avvicinano le applicazioni industriali al raggiungimento della connettività Industrial Ethernet ideale.