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浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 摘要 目前，e p a 协议栈的实现是基于a r m 嵌入式处理器和p c o s i i 等嵌入式操 作系统的软件实现方法存在时钟同步精度不高，通信调度性能没有充分发挥， 协议栈的稳定性也有待加强等问题：而专用e p a 通信芯片的引入将很好的解决 上述问题。目前芯片设计通用的方法是采用f p g a 来实现芯片功能，完成芯片原 型的开发与验证。 本文在深入研究e p a 协议的原理和硬件实现方法的基础上，提出一种基于 f p g a 的e p a 协议栈的实现方法。主要研究内容及创新点包括以下方面： 1 、以a t m e la t 9 1 r 4 0 0 0 8 微控制器和a l t e r ac y c l o n ei if p g a 为核心控 制芯片，设计了一套e p a 协议栈的f p g a 开发平台。并开发了基于该平台的网 卡a x 8 8 7 9 6 l 驱动程序 2 、完成了p t p 时钟同步算法设计并提出了一种基于加权最小二乘法的从 时钟频率自补偿算法该算法采用从时钟频率自补偿算法解决了每两次p t p 同 步之间时钟漂移偏差逐步扩大的问题，并引入加权最小二乘法来求取频率自补偿 算法中的动态补偿值。测试结果表明，算法的引入显著提高了p 1 限的同步精度， 同步精度达到l u s 3 、开发了e p a 通信调度算法针对目前e p a 通信调度算法软件实现方法中 存在的内存资源耗费多，通信调度表搜索效率低的问题，提出了一种基于现场可 编程逻辑门阵列( f p g a ) 的硬件实现方法该实现方法采用了一种报文集中存 储，通信调度表分别构建的策略，并在此基础上设计了一种并行处理的调度表搜 索方法。该设计方法减少了内存资源的占有率，将报文搜索效率提高了9 倍，通 信调度性能提高了l 倍 【关键词l 工业以太网网卡驱动时钟同步通信调度f p g ae p a 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e a l i z a t i o no fe p as t a c ki sb a s e do na r me m b e d d e dp r o c e s s o r s a n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ms u c ha sp c o s - ii t h e r ea lem a n yp r o b l e m se x i s t i n g i nt h es o t l w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，s u c ha st h ep r e c i s i o no fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni sn o t h i g he n o u g h ，t h ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l ep e r f o r m a n c ei sn o tf u l l ye x c e e d ，s t i l lt h e s t a b i l i t yo f t h ep r o t o c o ls t a c kn e e d st ob es t r e n g t h e n e d ，e t e e p ac o m m u n i c a t i o nc h i p i sag o o dw a yt os o l v e t h e s ep r o b l e m s c u r r e n t l y , c h i p - d e s i g n i n go f t e ni m p l e m e n t st h e f u n c t i o no fc h i p ，c o m p l e t e st h ed e v e l o p m e n ta n dv a l i d a t i o no fp r o t o t y p ec h i po n f p g af i r s t b a s e do na ni n - d e p t hs t u d yo ft h ep r i n c i p l eo fe p as t a n d a r da n di t sh a r d w a r e r e a l i z a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e rp r o p o s e saf p g a b a s e dr e a l i z a t i o nm e t h o df o re p a p r o t o c o ls t a c k t h em a i na c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ad e v e l o p m e n tb o a r df o rt h ee p ap r o t o c o ls t a c ki sd e v e l o p e d i tu s e st h e a t m e la t 9 1r 4 0 0 0 8m i c r o c o n t r o i l e ra n da l t e r ac y c l o n ei if p g aa sm a i n c o n t r o l l e r s d r i v e rf o rt h ee t h e m e tc a r da x 8 8 7 9 6 lb a s e do nt h i sp l a t f o r mi s d e v e l o p e d 2 t h ey 口s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e d af r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h ew e i g h t e dl e a s t - s q u a r e sa l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h m a d o p t st h ef r e q u e n c yc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mt oa d j u s tt h et i m ed r i f tb e t w e e ny r p s y n c h r o n i z a t i o n s ，a n dt h ew e i g h t e dl e a s t s q u a r e sa l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t e t h ed y n a m i cc o m p e n s a t ev a l u e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sg r e a t l y i m p r o v e dt h es y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c yo f 盯只a n dt h ea c c u r a c yr e a c h e slu s 3 t h ee p ac o m m u n i c a t i o ns c h e d u l ea l g o r i t h mi sd e v i s e d t os o l v et h ep r o b l e m s o fl a r g em e m o r yf o o t p r i n ta n dl o wl o o k u pe f f i c i e n c ye x i s t i n gi nt h es o r w a r e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o re p ac o m m u n i c a t i o ns c h e d u l ea l g o r i t h m ，ah a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o db a s e do nf p g ai sp r o p o s e d t h i sm e t h o da d o p t sas t r a t e g y , i n w h i c hm e s s a g e sa r es t o r e d i n t e n s i v e l ya n dc o m m u n i c a t i o ns c h e d u l e l i s t sa f e c o n s t r u c t e ds e p a r a t e l y al o o k u ps c h e m eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l el i s t sb a s e d 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 o np a r a l l e lp r o c e s s i n gi sd e v i s e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d d e c r e a s e st h ec o n s u m p t i o no fm e m o r yr e s o u r c e ，e n h a n c e st h e m e s s a g el o o k u p e f f i c i e n c yb y9t i m e s ，a n dd o u b l e st h ep e r f o r m a n c eo f c o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s i n d u s t r i a le t h e m e t ，e t h e m e tc a r dd r i v e r , c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ， c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l e ，f p g a ，e p a n l 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 1 1 现场总线技术 第1 章绪论 长期以来，由于现场总线争论不休，互可操作性与互用性问题难以解决，于 是现场总线开始转向以太网经过近几年的努力，以太网技术已经被工业自动化 系统广泛接受。众所周知，e t h e m e t 网络出现于1 9 7 5 年，并于1 9 8 2 年制定成为 i e e e8 0 2 3 标准的第一版本。1 9 9 0 年2 月该标准正式成为i s o i e c8 8 0 2 3 国际 标准。在这期间，e t h e m e t 从最初1 0 m b p s 以太网过渡到1 0 0 m b p s 快速以太网和 交换式以太网，直至发展到今天的光纤以太网和万兆以太网可以说，开放的 e t h e m e t 是3 0 年来发展最成功的网络技术，它是在与i e e e8 0 2 4 令牌总线局域 网和i e e e8 0 2 5 令牌环局域网两个对手的竞争中脱颖而出的，并导致了一场信 息技术的革命。e t h e m e t 网的快速发展和广泛应用有力地推动了高技术芯片和系 统开发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。因而，e t h e m e t 每年在世 界上的安装量超过上亿个节点【 信息系统网络( h 2 ) 图1 1 通用现场总线网络结构 按照国际电工委员会s c 6 5 c 的定义，工业以太网是用于工业自动化环境、 符合i e e e8 0 2 3 标准、按照i e e e8 0 2 i d 。媒体访问控制( m a c ) 网桥”规范和 i e e e8 0 2 i q “局域网虚拟网桥”规范，对其没有进行任何实时扩展( e x t e n s i o n ) 而实现的以太网。通过采用减轻以太网负荷、提高网络速度、采用交换式以太网 和全双工通信、采用信息优先级和流量控制以及虚拟局域网等技术，到目前为止 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 可以将工业以太网的实时响应时间做到5 一1 0 m s ，相当于现有的现场总线。 但对于响应时间小于5 m s 的应用，工业以太网已不能胜任。为了满足高实 时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的 技术解决方案。这些方案建立在i e e e8 0 2 3 标准的基础上，通过对其和相关标 准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太 网( r e a lt i m ee t h e r n e t ，简称r t e ) 。2 0 0 3 年5 月，i e c s c 6 5 c 为此专门成立了 w g l l 实时以太网工作组，负责制定i e c6 1 7 8 4 - 2 “基于i s o i e c8 8 0 2 3 的实时 应用系统中工业通信网络行规”国际标准。该标准包括c p f 2e t h e r n e t i p 、c p f 3 p r o f i n e t 、c p f 4p - n e t 、c p f 6i n t e r b u s 、c p f10v n e t i p 、c p fl lt c n e t 、 c p f l 2e t h e r c a t ，c p f l 3e t h e m e tp o w e r l i n k 、c p f l 4e p a 、c p f l 5m o d b u s t c p 以及c p f l 6s e r c o s 等1 1 种实时以太网行规集1 2 1 其中，包括我国e p a 实时以 太网标准的6 个新增实时以太网将以i e cp a ( s p u b l i c l ya v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ) 公共可用规范予以发表。在上述实时以太网技术中，将有e p a e t h e r c a t 、e t h e m e t p o w e r l i n k 、p r o f i n e t 、m o d b u s - i d a 和e t h e m e t i p 等6 个主要的竞争者。 根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分 为4 类：是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型； 采用在t c p i p 之上进行实时数据交换方案，其中m o d b u s t c p 和e t h e m e t i p 都属于这种类型；采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型，其中 p r o f i n e tv 2 和m o d b u s i d a 属于该类型；采用集中调度提高实时性的解决 方案，属于该类型的有e p a 、p r o f i n e t v 3 和e t h e m e t p o w e r l i n k 等3 中类型； 采用类似i n t e r b u s 现场总线“集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构 提升以太网实时性能，只有e t h e r c a t 属于该类型1 3 】如下图所示 匝匦固口亟圃 口 匦囡 口垂回 妇口亟圃 匦固 图1 2 实时以太网分类f 3 l 2 虱一蓟一霞一 嚣曰冒曰 浙江大学硬士学位论文 基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 是在国家标准化管理委员、全国工业过 程测量与控制标准化技术委员会的支持下，由浙江大学、浙江中控技术有限公司、 中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学、上 海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华控技 术有限责任公司等单位联合成立的标准起草工作组，经过3 年多的技术攻关，最 终提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案【4 5 6 】。 e p a 实时以太网技术的攻关，依托国家8 6 3 计划c i m s 主题系列课题”基于 高速以太网技术的现场总线控制设备”、”现场级无线以太网协议研究及设备开发 ”、”基于蓝牙技术的工业现场设备、监控网络其及关键技术研究”，以及”基于 e p a 的分布式网络控制系统研究和开发”、”基于e p a 的产品开发仿真系统”等滚 动课题，先后解决了以太网用于工业现场设备间通信的确定性和实时性、网络供 电、互可操作、网络安全、可靠性与抗干扰等关键性技术难题，开发了基于e p a 的分布式网络控制系统，首先在化工、制药等生产装置上获得了成功应用。 s u p e w i s o r y c o n t r o l 1 - 婴网d x ， e 】? a 洲暇甑e t 溯+ i 、嚣 m s e i 熬 绷馘0 t 一。，：o 一禽 j 盘，9 张船喘 ；梨 隰寥 1 “臻辨 9 黟寥 一珏豺辑鼍疆_ - 二l 缓函譬_ 目一l “，挪；a i；翟 一r 一 p 。“一。： l 图1 3 现场总线技术标准 在此基础上，标准起草工作组起草了我国第一个拥有自主知识产权的现场总 线国家标准用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范该标准被 列入现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 ( 第四版) 中的第十四类型，并列为与i e c6 11 5 8 相配套的实时以太网应用行规国际标准i e c6 1 7 8 4 - 2 中的第十四应用行规簇 ( c o m m o np r o f i l ef a m i l y1 4 , c p f l 4 ) ，这标志着中国第一个拥有自主知识产权的 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 现场总线国际标准一e p a 得到国际电工委员会的正式承认，并全面进入现场总线 国际标准化体系【7 1 1 2 基于f p g a 的芯片开发技术 目前j 国内外e p a 协议栈的实现都是基于a r m 嵌入式处理器和l a c o s i i 等嵌入式操作系统的，这种软件实现方式从实现的难度来说相对于硬件设计来说 较小，而且灵活性也较高。但是软件实现方式的弱点是通信调度处理速度慢，时 钟同步精度也较低，对于知识产权的保护也不到位相对而言，硬件实现方式开 发难度比较大，但是硬件实现方式能够提高通信调度速率和同步精度，系统稳定 性很高，也有利于知识产权的保护。 其次，对于逐步走向商业化的e p a 工业以太网标准来说，e p a 设备的普及 化是必然的趋势，而使用a r m 嵌入式处理器和操作系统来实现e p a 协议栈的代 价是昂贵的，专用的e p a 通信芯片的便是解决这一问题的有效途径。通过大规 模生产e p a 通信芯片将会使这一成本大大降低。如何快速地开发出性能高，可 靠性好，保密性好的专用通信芯片成为实现这一目标很关键的步骤。 目前，芯片的开发多以两种形式：一种是f p g a 的开发，这种开发模式很灵 活，可以缩短产品的开发周期，而且具有很高的灵活性。随着f p g a 芯片自身价 格的降低，芯片的开发越来越趋向于f p g a 开发模式另外一种就是a s i c 芯片 的开发，a s i c 芯片和f p g a 的开发最大的不同之处就是芯片的后端处理。印： 电路物理承载载体不同，并且后端的综合和实现方式不同目前，单片f p g a 可 以实现近千万逻辑门数a s i c 芯片可以超过f p g a 的设计能力，但是a s i c 开 发受芯片制造商的工艺制约 f p g a 整合了a s i c 与处理器架构系统的最佳部分，使f p g a 芯片可应用于 所有产业f p g a 具有硬件频率的速度与可靠性，且其仅需少量即可进行设计； 可降低客制化a s i c 设计的费用可重新程序设计的芯片，具有与软件相同的弹 性，却不受限于处理核心的数量与处理器不同的是，f p g a 为实际的平行架构， 因此不同的处理程序并不需要占用相同资源每个独立的处理程序均将指派至专 属的芯片区块，不需影响其它逻辑区块即可自动产生功能因此，当新增其它处 理程序时，应用某部分的效能亦不会受到影响 4 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 正是由于f p g a 开发众多优点，所以我们在开发e p a 通信芯片的前期采用 了f p g a 作为开发平台。基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发项目作为e p a 通 信芯片开发的第一步，也是最关键的一步。在这一步中，所有的e p a 协议栈的 功能都将在本项目中得到实现，并且在f p g a 硬件开发平台上得到验证。 1 3 本文主要内容 本文简要介绍了e p a 协议与f p g a 开发流程对e p a 协议栈的f p g a 平台 硬件设计做了比较详细的论述着重对e p a 协议栈的三部分：网卡a x 9 8 7 9 6 l 驱动开发，精确时钟同步算法，e p ac s m e 通信调度的f p g a 实现方法做了细 致的论述，同时提出了针对f p g a 开发平台特性的e p a 协议栈实现方法的改进 措施和算法 论文的章节安排如下： 第1 章：绪论本章对论文的课题背景、选题意义和论文结构进行阐述。 第2 章：e p a 及f p g a 开发本章对e p a 协议，f p g a 及其开发流程做了 简要介绍。 第3 章：e p a 协议栈的f p g a 平台硬件设计本章详细介绍了e p a 协议栈 开发的f p g a 平台硬件设计按功能将开发平台分成3 部分做了细致的分析，并 对f p g a 、a r m 微控制器、以太网卡等主要器件的主要特性和开发方式 第4 章：基于f p g a 的e p a 协议栈程序设计。本章对e p a 协议栈的三部分： 网卡a x 8 8 7 9 6 l 驱动开发，i e e e l 5 8 8 精确时钟同步算法，e p ac s m e 通信调度 算法的f p g a 实现方法做了细致的论述，同时提出了针对f p g a 开发平台特性 的e p a 协议栈实现方法的改进措施和算法，并对相关功能和算法进行了测试和 验证，给出了验证结果本章是论文的核心内容 第5 章：总结与展望。本章对整篇论文做了总结，回顾论文所做的工作，并 讨论了项目中依然存在的一些问题和解决方案，以及对以后工作的展望。 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 第2 章e p a 协议与f p g a 设计方法概述 本章分为两部分，前一部分主要论述了e p a 协议中的一些特有的概念和它 区别于其它现场总线的特点；后一部分详细论述了f p g a 的开发流程，对每个步 骤所使用的方法和常用开发工具都做了认真细致的介绍。 2 1e p a 协议简介 e p a 实时以太网是一种适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准，e p a 将大量成熟的i t 技术应用于工业控制系统，利用高效、稳定、标准的以太网和 u d p i p 协议的确定性通信调度策略，为适用于现场设备的实时工作建立了一种 全新的标准。这一项目得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的支持。 目前，由浙江大学，浙大中控共同主持，联合中国科学院沈阳自动化所、清 华大学、大连理工大学、重庆邮电大学、上海工业自动化仪表研究所、北京华控 技术有限责任公司等共同起草制定的用于工业测量与控制系统的e p a 系统结 构与通信规范已经通过了t c l 2 4 s c 4 的技术审查，成为我国第一个拥有自主 知识产权的现场总线国家标准同时，该标准成功进入i e c 标准体系，被i e c 作为p a s 标准形式公开发布，也被正在制定的实时以太网国际标准i e c 6 1 7 8 4 2 收录，作为第1 4 族实时以太网协议这是迄今为止中国工业自动化领域第一个 被国际认可和接受的标准 7 1 2 1 1e p a 通信协议模型8 l 参考i s o o s i 开放系统互连模型( i s o7 4 9 8 ) ，e p a 标准采用了其中的第一、 二、三、四和七层，并在第七层之上增加第八层( 印用户层) ，共构成六层结构 的通信模型。e p a 对i s o o s i 模型的映射关系如表2 1 所示 6 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 表2 ie p a 对i s o o s i 模型的映射 i s o 各层e p a 各层 ( ( 用户层) 用户应用进程) 应用层h 1 t p 、f t p 、d h c p 、s n t p ，s n m p 等 e p a 应用层 表示层 未使用 会话层 传输层 t c 舢d p 网络层 i p 。 数据链路层 e p a 通信调度管理实体 物理层 g b 厂r1 5 6 2 9 3 i e e e8 0 2 1 l l e e e8 0 2 1 5 e p a 系统结构的主要组成如图2 1 所示除了g b t1 5 6 2 9 3 i e e e 8 0 2 1 i i e e e8 0 2 1 5 、t c p ( u d p ) i p 以及信息技术( i t ) 应用协议等组件外， 它还包括以下几个部分： 1 、应用进程 e p a 系统中，有两类应用进程，即e p a 功能块应用进程和非实时应用进程， 它们可以在一个e p a 系统中并行运行非实时应用进程是指基于h 1 t r p 、f t p 以 及其他i t 应用协议的应用进程，如h 1 t r p 服务应用进程、电子邮件应用进程、 f t p 应用进程等。e p a 功能块应用进程是指根据i e c6 1 4 9 9 协议定义的“工业过 程测量和控制系统用功能模块”和i e c 6 1 8 0 4 协议定义的“过程控制用功能块” 所构成的应用进程 2 e p a 应用实体 e p a 应用实体描述通信对象、服务以及与上下层接口模型。e p a 应用实体为 组成一个功能块应用进程的所有功能块实例闻的通信提供通信服务，这些服务包 括域上载下载服务、变量访问服务事件管理服务、设备管理服务、系统管理 信息库等。通过这些服务，组成功能块应用进程的功能块实例之问就可以实现测 量、控制值传输，下载上载程序，发出事件通知、处理事件等功能 3 、e p a 通信调度管理实体 e p a 通信调度管理实体用于对e p a 设备向网络上发送报文的调度管理e p a 通信调度管理实体采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对e p a 设备向 网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，以避免碰撞：e p a 周期 报文按预先组态的时刻发送；e p a 非周期报文按时间有效以及报文优先级和e p a 7 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 设备的l p 地址大小顺序发送。所谓时间有效，是指在一个通信宏周期内的剩余 时间足以将该非周期报文完整发送出去在时间有效的情况下，优先级高的报文 先发送；如果两个设备的非周期报文优先级相同，则i p 地址小的e p a 设备先发 送非周期报文 4 、e p a 系统管理实体 e p a 系统管理实体用于管理e p a 设备的通信活动，将e p a 网络上的多个设 备集成为一个协调工作的通信系统。e p a 系统管理实体支持设备声明、设备识别、 设备定位、地址分配、时间同步、e p a 链接对象管理、即插印用等功能。为支持 这些功能，e p a 系统管理实体还规定了e p a 通信活动所需的对象和服务。 5 、e p a 套接字映射实体 e p a 套接字映射实体提供e p a 应用访问实体以及e p a 系统管理实体与 u d p i p 软件实体之间的映射接口，同时具有报文优先发送管理、报文封装、响 应信息返回、链路状况监视等功能。 6 、e p a 管理信息库 e p a 管理信息库( s m i b ) 存放了系统管理实体、e p a 通信调度实体和应用 访问实体操作所需的信息，在s m i b 中这些信息被组织为对象如设备描述对象 描述了设备位号、通信宏周期等信息，链接对象则描述了e p a 应用访问实体服 务所需的访问路径信息等 2 1 2 网络拓扑结构嗍 e p a 网络拓扑结构如图2 2 所示，它由两个网段组成：监控级l 2 网段和现 场设备级l l 网段。现场设备级l l 网段用于工业生产现场的各种现场设备( 如 变送器、执行机构、分析仪器等) 之间以及现场设备与l 2 网段的连接；监控级 l 2 网段主要用于控制室仪表、装置以及人机接口之间的连接 无论是监控级l 2 网段还是现场设备级l l 网段，均可分为一个或几个徼网 段一个微网段即为一个控制区域，用于连接几个e p a 设备在一个控制区域 内，e p a 设备之间互相通信，实现特定的测量与控制功能一个徼网段通过一 个e p a 网桥与其他徼网段相连。 3 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 摄作站 b a 现场设备 日，a 现场设备 b 现场设备硅 图2 2e p a 系统网络拓扑结构 2 1 2e p a 协议的特点0 7 l 无线e p a 接入设备 f 无线e p a lf 光线f p a i i 现场设备l i 王篼场哎备j 确定性通信 e p a 系统中，根据通信关系，将控制现场划分为若干个控制区域，每个区域 通过一个e p a 网桥互相分隔，将本区域内设备间的通信流量限制在本区域内； 不同控制区域间的通信由e p a 网桥进行转发；在一个控制区域内，每个e p a 设 备按事先组态的分时发送原则向网络上发送数据，由此避免了碰撞，保证了e p a 设备间通信的确定性和实时性 “p 网到底 e p a 是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术，采用分段化系统结构和 确定性通信调度控制策略，解决了以太网通信的不确定性问题，使以太网，无线 局域网蓝牙等广泛应用于工业企业管理层、过程监控层网络的c o t s ( c o m m e r c i a lo f f - t h e s h e l f ) 技术直接应用于交送器、执行机构、远程i o 、现 场控制器等现场设备问的通信采用e p a 网络，可以实现工业企业综合自动化 智能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基 于以太两技术的统一，印所谓的“e ( e t h e m e t ) 网到底。 互可操作 e p a 标准除了解决实时通信问题外，还为用户层应用程序定义了应用层服务 与协议规范，包括系统管理服务、域且下载服务、变量访问服务、事件管理服 9 釜一一 舒墨赢 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 务等用于解决信息的互通问题。为支持来自不同厂商的e p a 设备之问的互可操 作，e p a 标准采用x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 扩展标记语言为e p a 设 备描述语言，规定了设备资源、功能块及其参数接1 2 的描述方法。用户可采用 m i c r o s o f t 提供的通用d o m 技术对e p a 设备描述文件进行解释，而无需专用的 设备描述文件编译和解释工具 。 开放性 e p a 标准完全兼容i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 1 p & q 、1 e e e 8 0 2 1d 、i e e e 8 0 2 1 1 、 i e e e 8 0 2 1 5 以及u d p ( t c p ) i p 等协议，采用u d p 协议传输e p a 协议报文， 以减少协议处理时间，提高报文传输的实时性为确保e p a 系统运行的可靠性， e p a 标准中还针对工业现场应用环境，增加了媒体接1 ：3 选择规范与线缆安装导 则。e p a 网络还支持其他以太n 无线局域n 蓝牙上的其他协议( 如f t p 、h t t p ， s o a p ，以及m o d b u s 、p r o f i n e t 、e t h e m e t i p 协议) 报文的并行传输这样， i t 领域的一切适用技术、资源和优势均可以在e p a 系统中得以继承。 分层的安全策略 对于采用以太网等技术所带来的网络安全问题，e p a 标准规定了从企业信息 管理层、过程监控层和现场设备层三个层次，采用分层化的网络安全管理措施。 e p a 现场设备采用特定的网络安全管理功能块，对其接收到的任何报文进行访问 权限、访问密码等的检测，使只有合法的报文才能得到处理，其他非法报文将直 接予以丢弃，避免了非法报文的干扰。在过程监控层，采用e p a 网络对不同微 网段进行逻辑隔离，以防止非法报文流量干扰e p a 网络的正常通信，占用网络 带宽资源对于来自于互联网上的远程访问，则采用e p a 代理服务器以及各种 可用的信息网络安全管理措施，以防止远程非法访问。 冗余 e p a 支持网络冗余、链路冗余和设备冗余，并规定了相应的故障检测和故障 恢复措施，如设备冗余信息的发布、冗余状态的管理、备份的自动切换等 2 2f p g a 设计介绍 1 9 8 5 年，x i l i n x 推出第一款f p g a 产品，f p g a ( 现场可编程门阵列) 是可编 程逻辑器件，它的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片f p g a 1 0 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 以其高效能、低成本、高可靠性、短上市时间、方便长期维护、能为a s i c 提供 很好的功能能验证等一系列优越性，迅速成为广大电子工程师的新宠。经过了二 十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是a l t e r a 公司和x i l i n x 公司的f p g a 器件系列。全球f p g a 产品8 0 以上是由a l t e r a 和 x i l i n x 提供的，可以讲a l t e r a 和x i l i n x 共同决定了p l d 技术的发展方向。当然 还有许多其它公司的器件，如：l a t t i c e ，a c t e l ，q u i c k l o g i c ，c y p r e s s 等。 2 2 1f p g a 的内部结构 尽管f p g a 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们 一般是由三大部分组成的：( 1 ) 一个二维的逻辑块阵列c l b ，构成了p l d 器件 的逻辑组成核心；( 2 ) 输入输出块i o b ，它提供内部逻辑阵列与外部引出线之 间的编程接口；( 3 ) 连接逻辑块的互连资源i c r ，由各种长度的连线线段组成， 可能还有一些可编程开关矩阵，它们用于逻辑块之闻、逻辑块与输x 输出块之 问的连接0 1 。如下图所示。 j ，兰曩每 一 f _ 一 _ 、! | 一j_ i 一 ：一一 。! j 一一一 口 日 口 藜虽 圈 口 要口醴 二 蠢霸口圈 可璃崔开t ； 簿 图2 3f p g a 的内部结构 f p g a 一般采用查找表( l o o k - u p t a b l e ) 的结构，按照制造工艺可以将其分 成三大类，印基于a n t i f u s e 、f l a s h 、s r a m 等三种不同工艺的f p g a 基于s r a m 工艺的f p g a 掉电后数据消失，而基于a n t i f u s e 和f l a s h 工艺的f p g a 可用于存 l _ 獬嚣黪嚣瓣鍪菇缀缴瓤珊辨麓黪一一一一一一一一一 浙江大学硬士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 储非易失性数据】。 2 2 2 基于f p g a 的开发流程0 1 5 i f p g a 的设计可分为2 个阶段：第一阶段是系统设计，是根据一个开发项目 的系统设计要求( 功能、技术参数等) ，完成详细的系统设计方案；第二阶段是设 计实现，以系统设计方案为输入，进行一系列工作流程的处理，最后实现芯片所 需要实现的功能。一般来说，完整的f p g a c p l d 设计流程包括电路设计与输入、 功能仿真综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证板级仿真验证与调试等 主要步骤【佗】，如图所示。 图2 4 f p g a 开发流程 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 ( 1 ) 电路设计与输入( d e s i g ne n t r y ) 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师电路构思输入给 e d a 工具。常用的设计输入方法有硬件描述语言( h d l ) 和原理图设计输入方法 等。原理图设计输入法在早期应用得比较广泛，它根据设计要求，选用器件、绘 制原理图、完成输入过程。这种方法的优点是直观、便于理解、元器件库资源丰 富。但是在大型设计中，这种方法的可维护性较差，不利于模块构造与重用。更 主要的缺点是当所选用芯片升级换代后，所有的原理图都要做相应的改动。 目前进行大型工程设计时，最常用的设计方法是h d l 设计输入法，其中影 响最为广泛的h d l 语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 它们的共同特点是利于自顶 向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工 艺与结构的不同而变化，更利于向a s i c 的移植。波形输入和状态机输入是两种 常用的辅助设计输入方法；使用波形输入法时，只要绘制出激励波形和输出波形， e d a 软件就能自动地根据响应关系进行设计；而使用状态机输入法时，设计者 只需画出状态转移图，e d a 软件就能生成相应的h d l 代码或者原理图，使用十 分方便。但需要指出的是，波形输入和状态机输入方法只能在某些特殊情况下缓 解设计者的工作量，并不适合于所有的设训1 3 l 。 ( 2 ) 功能仿真( f u n c t i o ns i m u l a t i o n ) 功能仿真又叫逻辑仿真或前仿真，是指在不考虑器件延时和布线延时的理想 情况下对源代码进行逻辑功能的验证电路设计完成后，要用专用的仿真工具对 设计进行功能仿真，验证电路功能是否符合设计要求常用的仿真工具有m o d e l t e c h 公司的m o d e l s i m 、s y n o p s y s 公司的v c s 、c a d e n c e 公司的n c v e r i l o g 和 n c v h d l 、a l d e c 公司的a c t i v eh d l 、v h d l n e r i l o gh d l 等。通过仿真能及时 发现设计中的错误，加快设计进度，提高设计的可靠性 ( 3 ) 综合优化( s y n t h e s i so p t i m i z a t i o n ) 综合优化( s y n t h e s i z e ) 是指将i t d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、 非门，r a m ，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求 ( 约束条件) 优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表文件，供 f p g a c p l d 厂家的布局布线器进行实现综合的过程是t r a n s l a t e ( 转换p m a p ( 映 射) + o p t i m i z e ( 优化) f 蝴转换是将r t l 级行为描述转化为r t l 级结构描述( 使用 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的e p a 协议栈研究与开发 与工艺无关的通用逻辑门符号表示) 。映射将转换后的结果使用工艺库门级单元 的连接关系来表示，并根据需要进行优化，形成网表文件。映射是对某种目标器 件而言是一种资源分配和优化操作。 常用的专业综合优化工具有s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y s y n p l i f yp r o ， a m p l i f y ，s y n o p s y s 公司的f p g ac o m p i l e ri i ，m e n t o r 公司旗下e x e m p l a rl o g i c 公司出品的l e o n a r d o s p e c t r u m 和m e n t o rg r a p h i c s 公司出品的p r e c i s i o nr t l 等。 另外，f p g a c p l d 厂商的集成开发环境也自带综合工具。 ( 4 ) 综合后仿真( p o s t s y n t h e s i ss i m u l a t i o n ) 综合后仿真是为了检查综合完成后需要检查检查综合器的综合结果是否与 原设计输入一致。在仿真时，把综合生成的标准延时文件( s d f 文件) 反标注到综 合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。综合后仿真虽然比功能仿真精确一 些，但是只能估计