基于ieee1588协议的工业以太网管控芯片的设计

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1、基于IEEE1588协议的工业以太网管控芯片的设计第一章前言1.1工业以太网及其实时性以太网于自20世纪70年代在Xerox公司诞生以来就备受关注，早在20世纪80年代就有人提出将以太网应用于工业现场控制领域，由于以太网协议不能满足工业现场控制的实时要求，以太网未能在现场控制领域得到发展。相反，由于现场总线迎合了当时工业控制系统分散化、网络化、智能化的要求，且不存在实时性的问题，在工业现场控制领域发展迅速，目前市场上存在40多种现场总线。但现场总线技术也面临着标准混乱、带宽不足、与办公网络不兼容等问题[1]，且难以通过自身的升级改进来解决这些问题。而以太网技术在办公领域发展

2、迅速，全双工以太网及通讯速率的提升在一定程度上改善了以太网实时性能，因此不少现场总线控制网络设备的开发者与制造商又幵始尝试将以太网应用到工业控制领域中，逐渐形成了工业以太网的概念。所谓工业以太网即应用于工业控制领域的以太网技术，它在技术上与商用以太网兼容，但又必须满足工业控制网络实时通信需求，在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、可靠性、抗干扰能力、实时性等方面满足工业现场环境的应用[2]。以太网进军工业控制领域虽有通信速率高、成本低、软硬件支持广泛等优势，但必须解决的还是实时性问题。以太网存在实时性问题的根源在于其通信调度方式带有冲突检测的载波侦听多路访问机制(CSMA

3、/CD)，是一种非确定性通信调度方式[3]。信道上各个站点通过竞争的方式获取信道接入权限：先对信道进行监听，只有在信道空闲时才发送信息；在发送信息过程中若出现冲突则根据二进制指数退避算法计算退避时间，最大时间可达21°个基本时间单位。使用CSMA/CD算法时，数据中贞发送存在不确定的延迟，在10Mbps以太网中，理论上最坏的情况可延迟418.8ms,且这一结果未考虑超过最大重传次数后放弃顿数据发送的情况[4]。在传统的工业以太网中通常采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式以太网和全双工通讯、虚拟局域网等技术提高实时性，但采用这些技术只能将工业以太网实时响应提高

4、到5-10ms，而很多工业控制技术尤其是运动控制对实时性更高，通常要求响应时间小于1ms。另外一种思路是修改CSMA/CD机制，如英国斯特拉斯克莱德大学开发的TEMPRA协议，加州大学开发的CSMA/DCR协议、佩特雷大学开发的GIT-CSMA/CD协议等[5]。这些方案在一定程度上保证了实时性服务要求，但其缺点也明显：以太网网MAC协议通常使用硬件实现，修改协议意味着要重新设计芯片及设备，提高了应用成本；CSMA/CD协议时商用以太网旧EE802.3的核心机制，修改之后的协议与商业以太网不兼容，无法实现办公网络与控制网络的无缝连接。1.2工业实时以太网及国内外实现方案为了

5、满足高实时性能应用的需求，各大公司和标准组织纷纷提出提升工业以太网实时性的技术解决方案，这些方案建立在IEEE802.3标准之上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并做到和标准以太网的实时连接，这就是工业实时以太网。这种方案仅采用以太网中现有的技术来提高实时性，如上节提到的降低网络负荷、全双工以太网技术。实际经验表明，当通讯负荷在25%以下时，可保证通讯畅通，当通讯负荷在5%左右，碰撞概率几乎为零，因此可牺牲网络带宽资源换取一定的实时性能。全双工以太网技术可完全避免冲突，但数据在交换机中的时间通常在毫秒量级，因此实时性能也难以大幅度提高。第二章以太网MAC层协议197

6、3年，Xerox公司将其研制的Altoaloha网命名为以太网，标志以太网的诞生，此后以太网技术发展迅速，DEC、Intel、Xerox公司于1980年发布了世界上第一个以太网标准。与此同时，电气和电子工程师协会也展开了对以太网技术的研究，并发布了一系列相关协议，旧EE802.3协议即是其中之一。旧EE802.3协议是以太网物理层(PhysicalLayer.PHY)及数据链路层中媒介控制层(MediaAccessControl,MAC)的标准规范，本文将根据旧EE802.3-2005标准简要介绍协议中有关MAC层的内容。2.1MAC层的功能IEEE802委员会（又称LMS

7、C，LAN/MANStandardsmittee)将OSI模型中的数据链路层又分为逻辑链路控制层(LogicalLinkControl,LLC)和介质访问控制层(MediaAccessControl,MAC),如图2-1所示。其中LLC子层遵循旧EE802.2协议，与传输媒介无关，物理釆用何种协议对该层来说都透明的，而所有与传输媒介相关的内容均在MAC层实现。具体来讲MAC层主要实现两大功能：第一，数据的封装与解封，即将待发送的数据封装成符合旧EE802.3标准的数据顿，从接收到的数据顿中提取有效数据；第二，媒介接