fido5100和fido5200 REM交換芯片與主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)處理器配合使用

在工業(yè)自動化和運(yùn)動控制應(yīng)用中，工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的使用正在成為現(xiàn)實(shí)，取代了CANbus或RS-485等傳統(tǒng)現(xiàn)場總線連接。

處理實(shí)時應(yīng)用需要高度的確定性和可靠性，主要原始設(shè)備制造商（OEM）引入了許多協(xié)議，例如Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP、Sercos和Modbus TCP。兼容這些協(xié)議，以及需要更新以兼容未來增強(qiáng)功能（如時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN））的可能性，是每個工業(yè)通信設(shè)計的重要考慮因素。ADI公司通過實(shí)時以太網(wǎng)多協(xié)議（REM）交換芯片fido5100和fido5200支持最常見工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。此交換芯片與fido1100通信控制器配合使用，使可編程多協(xié)議RAPID方案更加完善。fido5100和fido5200 REM交換芯片為Profinet IRT、EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus TCP和Powerlink提供預(yù)認(rèn)證的解決方案。

本應(yīng)用筆記介紹fido5100和fido5200 REM交換芯片與任何微處理器的主機(jī)接口，另外還說明了存儲器總線接口以及控制以太網(wǎng)接口所需的附加信號。

在本文中，低電平有效信號用上橫線和信號名稱來表示（例如RESET））。

圖1.基于fido5100和fido5200的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備架構(gòu)和支持的軟件協(xié)議棧

主機(jī)接口

fido5100和fido5200 REM交換芯片通過一個設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)異步存儲器總線端口的主機(jī)接口連接到通信處理器。他們各有兩個以太網(wǎng)接口，支持介質(zhì)獨(dú)立接口（MII）或精簡介質(zhì)獨(dú)立接口（RMII）。由于以太網(wǎng)物理層配置差異性，所以交換芯片不處理以太網(wǎng)物理層部分。通用架構(gòu)如圖2所示。

圖2.通用架構(gòu)

主機(jī)接口為16位或32位存儲器總線，地址和數(shù)據(jù)可以復(fù)用，從而減少引腳數(shù)量。多路復(fù)用總線選擇（MBS）和數(shù)據(jù)總線大?。⊿IZE_32）信號選擇此總線模式。MBS和SIZE_32在RESET）信號的上升沿采樣。

另一個要考慮的方面是字節(jié)序，它由從小到大順序（LE）信號決定。LE電平也是在RESET）的上升沿采樣。

交換芯片數(shù)據(jù)總線定義如下：

?D0為最低有效位（LSB）。

?D15為16位總線的最高有效位（MSB）。

?D31為32位總線的MSB。

所有控制和狀態(tài)寄存器都是16位寬，所以即便使用32位總線，數(shù)據(jù)也必須按D15到D0的順序傳輸。有關(guān)如何處理字節(jié)序的詳細(xì)信息以及引腳功能的詳細(xì)描述，請參閱fido5100/fido5200數(shù)據(jù)手冊。

地址總線有四位數(shù)據(jù)，可以訪問16個直接地址寄存器。如果是非多路復(fù)用數(shù)據(jù)總線（例如MBS = 0），用戶必須考慮地址的另外四個引腳。

查看時序圖（參見fido5100/fido5200數(shù)據(jù)手冊）非常重要，它顯示了非多路復(fù)用和多路復(fù)用模式下的讀寫操作。

圖3.同相緩沖器驅(qū)動CS）信號

在非多路復(fù)用操作的情況下，地址建立時間（tAS）是異步存儲器訪問的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)微處理器架構(gòu)，地址線和CS）可以同時驅(qū)動（tAS = 0），或者二者之間可以有一個很小的延遲。

關(guān)于非多路復(fù)用操作，市場上的許多Cortex?-M4系列（例如ADI公司ADSP-CM408F或STM32F4）和Cortex-Ax系列（例如ADI公司ADSP-SC589和NXP imx6）可無延遲地驅(qū)動CS）和地址線。在其他情況下，如Motorola 68000架構(gòu)，CS）在地址線有效后置位。

fido5100和fido5200 REM交換芯片使用CS）下降沿來鎖存地址線，并且需要一個很小的延遲tAS（最小20 ps）。

當(dāng)微處理器同時置位CS）和地址時，應(yīng)給CS）增加幾ns的延遲。例如，ADSP-CM408F通過一個快速的單通道同相緩沖器（通常增加2.5 ns的延遲）將CS）驅(qū)動到fido5100和fido5200 REM交換芯片。

對于多路復(fù)用存儲器訪問，地址和ALE信號有效之間的時序關(guān)系也可能要求在ALE信號上增加一個短延遲，這取決于所使用的處理器。

中斷

三條中斷線用作fido5100和fido5200 REM交換芯片的輸出。主機(jī)微處理器必須監(jiān)視這些線路。

MDIO接口

所有以太網(wǎng)物理層都需要配置，它們可以提供狀態(tài)信息。許多器件使用管理數(shù)據(jù)輸入和輸出（MDIO）接口。此通信接口由兩條線組成：一條數(shù)據(jù)線（MDIO）和一條管理數(shù)據(jù)時鐘線（MDC）。IEEE802.3規(guī)范定義了一個特定通信協(xié)議。fido5100和fido5200REM交換芯片不驅(qū)動此通信接口。主機(jī)處理器必須能夠相應(yīng)地管理MDIO和MDC。

存儲器要求

理想情況下，REM交換芯片驅(qū)動器需要50 kB到100 kB的只讀存儲器（ROM）。在RapID平臺上，fido1100使用46 kB ROM。此外，某些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議需要8 kB RAM來同時處理飛行中處理器的多個數(shù)據(jù)包。

引腳數(shù)

表1總結(jié)了使用最大引腳數(shù)（125 MB/s，非多路復(fù)用總線）的配置的引腳數(shù)和使用最小引腳數(shù)（62.5 MB/s，多路復(fù)用總線）的配置的引腳數(shù)，假設(shè)MBS、SIZE_32和LE處于某一固定電平。非多路復(fù)用總線中有45個引腳，多路復(fù)用總線中有26個引腳。

互連框圖

圖4顯示了主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)處理器與fido5100和fido5200REM交換芯片之間以及兩個以太網(wǎng)物理層的完整互連框圖。圖4中的虛線表示僅用于多路復(fù)用模式的連接。在多路復(fù)用模式下，請勿連接四條地址線，只能連接A02/ALE。A02/ALE具有雙重功能。在多路復(fù)用模式下，A02線充當(dāng)ALE信號來驗(yàn)證地址線。

圖4.互連框圖

REM交換芯片軟件驅(qū)動程序

REM交換芯片軟件驅(qū)動程序?yàn)閒ido5100和fido5200提供標(biāo)準(zhǔn)的與協(xié)議無關(guān)的接口。軟件驅(qū)動程序用于初始化、中斷管理、定時器管理以及獨(dú)立于協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸和接收。針對每種支持的協(xié)議（Profinet、Ethernet/IP、EtherCAT、ModbusTCP和POWERLINK），REM交換芯片軟件驅(qū)動程序以源代碼形式提供。驅(qū)動程序使用C語言編寫，并針對選定的協(xié)議配置交換芯片。固件從主機(jī)處理器下載。

配置通常在上電時執(zhí)行，但配置可在系統(tǒng)復(fù)位后的任何時間執(zhí)行。

如圖5所示，C代碼被組織成一組應(yīng)用程序編程接口（API），分為兩個主要功能組別：協(xié)議專用接口和標(biāo)準(zhǔn)交換接口。

任何傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）協(xié)議棧都可以連接到標(biāo)準(zhǔn)交換接口，任何協(xié)議棧都可以連接到協(xié)議專用接口。標(biāo)準(zhǔn)交換接口在所有驅(qū)動程序中都是通用的，因此用戶只需連接到TCP/IP協(xié)議棧一次即可。

用戶可以選擇作為處理器開發(fā)環(huán)境的操作系統(tǒng)（OS）一部分的TCP/IP協(xié)議棧，以及來自第三方供應(yīng)商的PROFINET協(xié)議棧。然后，協(xié)議棧由主機(jī)處理器管理，并連接到REM交換芯片驅(qū)動程序中的協(xié)議特定API，而REM驅(qū)動程序中的標(biāo)準(zhǔn)交換API連接到OS中的TCP/IP協(xié)議棧。

圖5.多協(xié)議能力

驅(qū)動程序不依賴于任何操作系統(tǒng)資源（例如無線程和令牌），所以移植僅限于定義主機(jī)處理器如何與REM交換芯片通信以及一些調(diào)試選項(xiàng)。

移植相關(guān)代碼（REMS_Port.h和REMS_Port.c）位于Porting目錄中（/PorTIng/inc/和/PorTIng/src/）。為支持特定硬件平臺，必須修改這兩個文件，其依賴于主機(jī)處理器。

REM軟件驅(qū)動程序架構(gòu)如圖6所示。

圖6.REM軟件驅(qū)動程序架構(gòu)

應(yīng)用范例

本部分包含一些與工業(yè)應(yīng)用中常用的微處理器架構(gòu)配合使用的范例。有關(guān)更多信息，請參閱相應(yīng)集成電路（IC）制造商提供的具體文檔。

ADI公司ADSP-CM408F（帶FPU的Arm? CORTEX-M4）

ADSP-CM408F帶有一個靈活的外部存儲器接口。靜態(tài)存儲器控制器（SMC）可以編程為控制最多四組外部存儲器。允許異步非復(fù)用16位操作。

表2顯示了fido5100和fido5200 REM交換芯片與ADSP-CM408F處理器之間的連接。

表2.連接至ADSP-CM408F

ADI公司ADSP-SC589（帶ARM CORTEX-A5的SHARC?+雙核DSP）

ADSP-SC589配有SMC，可控制最多兩個外部存儲器模塊。允許異步非復(fù)用16位操作。正如ADSP-CM408F中所建議的那樣，CS）信號需要一個外部緩沖器，MDIO接口由嵌入式控制器管理。

表3顯示了fido5100和fido5200 REM交換芯片和雙核SHARC+Arm處理器之間的連接。

由于ADSP-SC589沒有嵌入式閃存，因此處理器需要在上電時對REM交換芯片進(jìn)行編程以從外部ROM下載代碼。

表3.連接至ADSP-SC589

ST MICROELECTRONICS STM32F42系列（帶FPU的ARM CORTEX-M4）

STM32F42系列具有靈活的內(nèi)存控制（FMC）接口，允許異步16位和32位多路復(fù)用和非多路復(fù)用訪問操作。由于FMC_NE（片選）預(yù)測地址有效的時間最長可達(dá)2 ns，因此該信號可能需要更長的延遲時間。

表4顯示了fido5100和fido5200 REM交換芯片與STM32F42處理器之間的連接。

表4.連接至STM32F42

在多路復(fù)用操作的情況下，需要一個反相器，因?yàn)镕MC_NADV是低電平有效信號，但fido5100和fido5200需要高電平有效信號來鎖存地址。這種情況下無需增加延遲，因?yàn)閠w （NADV）時間足以讓fido5100和fido5200鎖存地址線。

ST MICROELECTRONICS STM32F103系列（Arm CORTEX-M3）

STM32F103系列具有靈活的嵌入式靜態(tài)存儲控制器（FSMC），可以管理最多四組不同類型的存儲器，包括SRAM。FSMC允許異步多路復(fù)用和非多路復(fù)用16位操作。由于FSMC_NE（片選）可以在地址線有效之前最多3 ns時置位，所以此信號可能需要更長的延遲時間。

表5顯示了fido5100和fido5200REM交換芯片與STM32F103處理器之間的連接。

表5.連接至STM32F103

在多路復(fù)用操作的情況下，需要一個反相器，因?yàn)镕SMC_NADV是低電平有效信號，但fido5100和fido5200需要高電平有效信號來鎖存地址。這種情況下不需要增加延遲，因?yàn)閠w （NADV）時間足以讓fido5100和fido5200鎖存地址線。

該系列Cortex-M3處理器未實(shí)現(xiàn)MDIO接口。

盡管如此，可以使用兩個GPIO來代替，而MDIO功能必須通過軟件來模擬。

TEXAS INSTRUMENTS AM1808 SITARA系列（Arm9）

AM1808有一個支持異步SRAM的外部存儲器接口（EMIFA）。EMIFA可以管理16位非復(fù)用訪問。片選信號需要一個緩沖器。

表6顯示了fido5100和fido5200 REM交換芯片與AM1808處理器之間的連接。

表6.連接至AM1808

TEXAS INSTRUMENTS TMS320F2807 PICCOLO系列（32位浮點(diǎn)微控制器）

TMS320F2807系列具有支持異步SRAM的EMIFA。EMIFA可以管理32位和16位非復(fù)用訪問。片選信號需要一個緩沖器。

表7顯示了fido5100和fido5200 REM交換芯片與TMS320F2807處理器之間的連接。

表7.連接至TMS320F2807

該系列32位處理器未實(shí)現(xiàn)MDIO接口。盡管如此，可以使用兩個GPIO來實(shí)現(xiàn)此接口，而MDIO功能必須通過軟件來模擬。

NXP i.MX 6ULL系列（Arm CORTEX-A7）

i.MX 6ULL處理器配有外部接口模塊（EIM），其可提供對SRAM的16位非復(fù)用和復(fù)用訪問。

表8顯示了fido5100和fido5200 REM交換芯片與i.MX 6ULL處理器之間的連接。

表8.連接至i.MX 6ULL

在多路復(fù)用操作的情況下，需要一個反相器，因?yàn)镋IM_LBA）是低電平有效信號，但fido5100和fido5200需要高電平有效信號來鎖存地址。

因?yàn)镋IM_LBA）解除置位（成為地址的鎖存時間）取決于可編程參數(shù)，所以計算W40A時序時要小心?？赡苄枰彌_器。

時序W31（EIM_CSx）有效至地址有效）是可編程的，可以為負(fù)值（CS）在地址有效前置位）?？赡苄枰彌_器。