يعد الترابط الموثوق والمستقر للاتصالات بمثابة شريان الحياة للأتمتة الصناعية. نظرًا للعدد الكبير من أجهزة الاستشعار والمشغلات داخل المعدات الصناعية، والعديد من الأنظمة والبروتوكولات السائدة في السيناريوهات الصناعية في العالم الحقيقي-، يتم استخدام عدد لا يحصى من البوابات التقليدية لنقل البيانات وتحويلها خلال العملية بأكملها. يجب أن تراعي الأتمتة الصناعية متطلبات أنظمة تكنولوجيا المعلومات للوصول إلى البيانات المفتوحة والتحكم في الوقت الفعلي-.
وقد لعبت شبكة Ethernet الصناعية دورًا مهمًا في هذا الصدد، حيث عززت بشكل كبير كفاءة ومزامنة نقل البيانات على نطاق واسع- مقارنة بأنظمة ناقل المجال. من ناحية الأجهزة-، تشتمل معدات تبديل Ethernet على شرائح تبديل Ethernet ووحدات المعالجة المركزية (CPUs) وPHYs وPCBs والأنظمة الفرعية للواجهة/المنافذ، مع كون شريحة تبديل Ethernet مكونًا بالغ الأهمية. هذه الرقائق متخصصة في تحويل ومعالجة كميات كبيرة من البيانات وإعادة توجيه الرسائل، وتعمل كدوائر متكاملة محسنة للتطبيقات -للشبكات. عادةً ما يقدم موردو شرائح التبديل الرئيسيون منتجات تجارية-مع دعم بروتوكول شامل ووظائف قوية.
تبديل شريحة التكامل
عادةً ما يتم تنفيذ وظائف تبديل الشبكة في طبقة 2 MAC الخاصة بشبكة Ethernet. تحتوي رقائق محولات Ethernet المبكرة عمومًا على طبقة MAC فقط، وتعتمد على شرائح PHY في الطبقة الأولى لإنشاء اتصالات Ethernet الفعلية. مع التقدم التكنولوجي وتزايد طلب المستخدمين على بنيات النظام المبسطة، ظهرت شرائح تبديل الشبكة التي تدمج الطبقة المادية (PHY) وطبقة الارتباط (MAC) واكتسبت اعتمادًا واسع النطاق.
حاليًا، حققت العديد من رقائق التبديل 10M/100M هذا التكامل. ومع ذلك، لا تزال شرائح التبديل 10G ومنافذ Gigabit الموجودة على المحولات القياسية تتطلب عادةً شرائح PHY مخصصة. عند مناقشة اتصال Ethernet، تعد Broadcom لاعبًا رئيسيًا. لقد كانت Broadcom منذ فترة طويلة رائدة في قطاع شرائح تبديل Ethernet، حيث تقدم المجموعة الأكثر شمولاً في الصناعة من معدات ورقائق تحويل Ethernet.
فيما يتعلق بالتكامل، يتميز حل تحويل Ethernet الخاص ببنية Roboswitch من Broadcom بتكوينات 5-24 منفذًا تدعم Fast Ethernet وGigabit Ethernet (GbE). ضمن حلول التبديل-عالية السرعة وGigabit Ethernet، يتم دمج جميع وظائف نظام-التبديل عالي السرعة-بما في ذلك المخازن المؤقتة للحزم، وأجهزة إرسال واستقبال الطبقة المادية، ووحدات التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC)، وإدارة العناوين، والتحكم في المعدل القائم على-المنفذ، ونسيج التبديل غير -المحظور - في شريحة CMOS واحدة. يعتبر هذا المستوى من التكامل مرتفعًا بشكل استثنائي بالنسبة للتطبيقات الصناعية.
لضمان قدرة عالية على معالجة البيانات أثناء العمليات التعاونية، تكون المسارات المنطقية الداخلية لشريحة التبديل معقدة للغاية. تدعم البنى الرائدة في الصناعة-من الشركات المصنعة الكبرى سرعات متعددة بما في ذلك 100M/1GE/2.5GE و10GE، وذلك باستخدام سرعات 2.5GbE/10GbE لتحقيق -اتصالات عالية السرعة للوصلة الصاعدة. تتضمن شريحة التبديل المدمجة أيضًا وحدة معالجة مركزية بداخلها مباشرة، مما يتيح تصميم نظام أساسي واحد للتبديل مُدار-وحدة المعالجة المركزية-يدعم الوضع المتتالي دون الحاجة إلى معالج خارجي.
في سيناريوهات مراكز البيانات وتطبيقات شبكة التعلم العميق، تحقق شرائح التبديل مستويات تكامل أعلى. على سبيل المثال، تتميز سلسلة StrataXGS بأعلى-تكامل في السوق وأعلى-نطاق ترددي بحلول شريحة -مفردة متكاملة قادرة على التوسع من عدة جيجابت إلى عدة تيرابت.
دعم-البروتوكولات المتعددة
إن انتشار بروتوكولات الاتصالات الصناعية أمر معترف به على نطاق واسع، ومما لا شك فيه أن شرائح التبديل المتعددة{0}}البروتوكولية تتمتع بجاذبية أكبر في التطبيقات الصناعية، مما يقلل بشكل كبير من تعقيدات التصميم. تحقق شرائح تبديل البروتوكولات المتعددة FIDO5100 وFIDO5200 من ADI دعم البروتوكول من خلال إعدادات قابلة للتخصيص، وذلك باستخدام البرامج الثابتة التي تم تنزيلها من المعالج المضيف. تم دمج هذا البرنامج الثابت في برنامج تشغيل محول بروتوكول Ethernet المتعدد-في الوقت الحقيقي-ويتم تنزيله أثناء التشغيل-.
(الدعم الكامل للبروتوكول، ADI)
تعمل التكوينات المرنة والقابلة للتطوير على تمكين شريحة التبديل من التفاعل بسلاسة مع أي معالج مضيف. من خلال الاستفادة من برامج تشغيل الأجهزة لبروتوكولات محددة، فإنه يسهل تقسيم النظام المرن مع توفير قدر أكبر من الحرية لاستخدام مجموعات البروتوكولات من أي مورد-ما عليك سوى دمج مجموعة البروتوكولات مع برنامج تشغيل شريحة التبديل المتعددة-للبروتوكولات. يعمل دعم البروتوكولات المتعددة-لشريحة التبديل على تحسين الكفاءة بشكل كبير في سيناريوهات الأتمتة الصناعية.
السعي الدؤوب لنقل البيانات بكفاءة ومتطلبات الوقت-الحقيقي
بغض النظر عن الاتجاهات التكنولوجية، تظل المتطلبات الأساسية للنقل الفعال وزمن الوصول المنخفض ثابتة بالنسبة لرقائق التبديل. ويعد هذا أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص في التطبيقات الصناعية حيث يتطلب التحكم في الحركة أداءً صارمًا-في الوقت الفعلي. تستخدم سلسلة FIDO المذكورة أعلاه وحدة التحكم في المؤقت (TCU) لتنفيذ آليات المزامنة لبروتوكولات Ethernet الصناعية المختلفة، مما يدعم أوقات دورات EtherCAT التي تصل إلى 12.5 ميكروثانية وأوقات دورة PROFINET التي تصل إلى 31.25 ميكروثانية.
تدمج شريحة -سلسلة VSC75XTSN الفردية من Microchip دعمًا كاملاً للأجهزة لبروتوكول IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP)، بما في ذلك الطابع الزمني للأجهزة لجميع واجهات PHY-MAC وساعة PTP للأجهزة عالية الدقة-. يوفر هذا مزامنة أقل من - ميكروثانية لمجموعة من تطبيقات Ethernet الصناعية. يستمر الطلب على -الاتصال عالي الكفاءة-في الوقت الفعلي في دفع شرائح التبديل نحو نقل أكثر كفاءة وتزامن-زمن وصول أقل.
ملخص
مع انتقال الشبكات من اتصالات ناقل المجال التقليدي واتصالات 4 مللي أمبير إلى 20 مللي أمبير إلى شبكة إيثرنت الصناعية، تظهر العديد من التحديات أثناء مرحلتي تصميم وتنفيذ الاتصال بالشبكة. وقد أدى هذا إلى تطور رقائق تبديل إيثرنت. تعمل شرائح التبديل القوية والمرنة على تقريب التطبيقات الصناعية من تحقيق اتصال Ethernet الصناعي المثالي.