技術(shù)干貨｜德州儀器 Sitara 產(chǎn)品系列賦能工業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級，引領(lǐng)更智能的工業(yè)互聯(lián)

隨著工業(yè) 4.0 浪潮席卷全球，工廠車間的設(shè)備不再是孤立的個體，而是通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)緊密相連，構(gòu)成一個協(xié)同運作的智能系統(tǒng)。作為連接感知層、控制層與管理層的核心紐帶，工業(yè)通信性能直接決定了工業(yè)生產(chǎn)的效率、精度與可靠性。

傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在面對復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境和不斷增長的通信需求時，往往顯得力不從心。與此同時，如今嵌入式處理器的同質(zhì)化越來越明顯，越來越難以應(yīng)對工業(yè) 4.0 時代不斷涌現(xiàn)的新的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。

德州儀器（TI）的多媒體和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)處理器中，工業(yè)通信功能可以通過可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）實現(xiàn)。該子系統(tǒng)為協(xié)處理器架構(gòu)，集成了可編程實時核（PRU）與以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器（EMAC），可通過固件完成工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線協(xié)議的底層實現(xiàn)，而協(xié)議棧的上層功能則由運行在 Arm 核上的軟件實現(xiàn)。PRU-ICSS 能夠釋放器件中的主 Arm 核資源，使其可專注于控制、數(shù)據(jù)處理等其他核心功能。TI 為該協(xié)議軟件提供三種應(yīng)用方案：使用 TI 原廠完整協(xié)議棧、第三方協(xié)議棧，或客戶自研協(xié)議棧。

相較于消費級網(wǎng)絡(luò)追求的平均響應(yīng)速度與吞吐量，工業(yè)控制的性能上限由“最壞情況延遲”決定。傳統(tǒng) TCP/IP 以太網(wǎng)幾 ms 至數(shù)百 ms 左右的不確定延遲，無法滿足工業(yè)高性能需求場景的 1ms 甚至 μs 級需求。為此，EtherCAT、PROFINET 等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)運而生，它們在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上增加直通交換等拓展設(shè)計，支持確定性延遲，卻也超出了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的處理能力，催生了對專用處理方案的迫切需求。

另外，隨著邊緣計算的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)量交互也隨之呈指數(shù)級增長，千兆以太網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用，需要工業(yè)通信系統(tǒng)進行更新。

總體而言，工業(yè)以太網(wǎng)解決方案應(yīng)具備如下特點：

• 極致實時性：設(shè)備指令傳輸與數(shù)據(jù)反饋需在 μs 級完成，確保控制精度；

• 低抖動：jitter 在 100ns 級以下；

• 高度可靠性：具備強抗干擾與故障冗余能力，將數(shù)據(jù)誤碼率與通信中斷風(fēng)險降至最低；

• 協(xié)議兼容性：適配 EtherCAT、PROFINET master/device、EtherNet/IP、Modbus 等多類協(xié)議，實現(xiàn)不同廠商設(shè)備的無縫對接。

面對工業(yè)通信的嚴(yán)苛需求，傳統(tǒng)解決方案都或多或少存在瓶頸：通用 CPU 雖算力強勁，但受任務(wù)調(diào)度與中斷延遲影響，難以保證協(xié)議處理的確定性；專用 ASIC 芯片雖能滿足實時性，卻靈活性差、開發(fā)成本高；而 FPGA 雖可實現(xiàn)定制邏輯，卻會增加系統(tǒng)復(fù)雜度與供應(yīng)鏈風(fēng)險。

2011 年 TI 發(fā)布的 AM335x 系列處理器，首次將 PRU-ICSS 協(xié)處理器集成其中，為工業(yè)通信提供了全新思路。如今，PRU 系列已發(fā)展為包含 PRU-ICSS、PRU-ICSSG、PRUSS 的完整系列，通過處理器內(nèi)置加速器的方式，實現(xiàn)了實時性、靈活性與成本的完美平衡。

PRU 協(xié)處理器可以針對特定的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如 EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP 等，進行定制化編程，以實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的通信。通過對 PRU 協(xié)處理器進行編程，能夠精確控制數(shù)據(jù)的傳輸時間和順序，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和沖突，從而顯著提高工業(yè)通信的實時性和可靠性。

此外，可編程特性還使得 PRU 協(xié)處理器能夠快速適應(yīng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的升級和變化。隨著工業(yè) 4.0 的不斷推進，新的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，PRU 協(xié)處理器可以通過重新編程來支持這些新協(xié)議，而無需更換整個硬件系統(tǒng)，大大降低了工業(yè)企業(yè)的升級成本和時間成本。

PRU-ICSS 是 TI 網(wǎng)絡(luò)處理器支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“低延遲、高可靠”的核心 IP。

以 PROFINET 實際表現(xiàn)為例，TI 的產(chǎn)品最小循環(huán)周期可達 250μs，而同級別產(chǎn)品為 625μs；jitter 小于 100ns，同級別為 1μs。此外無需 SDRAM 即可運行，并具備 460ms 的快速啟動，支持 MRP 和 MRPD 的網(wǎng)絡(luò)冗余標(biāo)準(zhǔn)。

PRU 之所以能實現(xiàn)低延遲與低抖動，核心源于其硬件架構(gòu)設(shè)計與編程模式的針對性優(yōu)化，具體包括以下四項：

1.非流水線 CPU 設(shè)計：確保 100% 確定性執(zhí)行，無指令周期波動。

2.寬邊接口（Broadside Interface）：1024 位寬數(shù)據(jù)總線支持單周期訪問，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)接口。

3.寄存器映射 I/O 與按位尋址：直接操控外設(shè)寄存器，減少軟件掩碼等冗余操作。

4.靈活編程與調(diào)試支持：兼容匯編與 C 語言，TI 的 CCS 環(huán)境可提供源碼級調(diào)試，兼顧效率與性能。

具體而言，每個 ICSS 子系統(tǒng)最多支持 40 路實時、確定性 I/O 接口；輸出時序可按 3 ns 步長精確控制，并支持 6 ns級中斷服務(wù)程序（ISR）響應(yīng) —— 這是 PRU 工作在 333 MHz 下的表現(xiàn)，相比之下，ARM R5F 核心的 “實時” I/O 響應(yīng)性能約為 1μs。

除了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之外，PRU-ICSS 的特點還可應(yīng)用于諸如電機、ADC 接口、背板等其他應(yīng)用中。

如圖所示，PRU 提供最靈活的功能，以適配用戶的不同應(yīng)用場景。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是由 IEEE 802.1 工作組制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)稱，為以太網(wǎng)增添了實時、確定性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。在確定性和低延遲性能層面，TSN 可達到當(dāng)前工業(yè)通信協(xié)議的同等水平，同時還新增了更多功能與靈活性，且具備 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的通用優(yōu)勢。TSN 實現(xiàn)了信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)與運營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)的融合，讓實時和非實時業(yè)務(wù)流得以在同一以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

TSN 可實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場層多傳感器、執(zhí)行器的實時連接，也是工業(yè) 4.0 中實現(xiàn)生產(chǎn)單元各類控制系統(tǒng)實時互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，但其部署的核心挑戰(zhàn)是工業(yè)控制系統(tǒng)中大量互聯(lián)的感知與執(zhí)行設(shè)備帶來的網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜度問題。

TI 的 AM243x 和 AM64x 系列芯片的所有型號均支持 TSN 技術(shù)（涵蓋 CPSW 和 ICSSG 兩大以太網(wǎng)子系統(tǒng)）,可以極大簡化硬件開發(fā)的復(fù)雜性。

其中 CPSW 是通用平臺交換機（Common Platform SWitch）的縮寫。該模塊支持兩路獨立的 10/100/1000 兆比特每秒以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC），也可配置為單路三端口 10/100/1000 兆比特每秒以太網(wǎng)交換機（含 2 個外部端口 + 1 個內(nèi)部端口）。

由于各種原因，工業(yè)協(xié)議向 TSN 的遷移需數(shù)年時間，過渡階段需協(xié)議橋接設(shè)備（如現(xiàn)場總線 - TSN 網(wǎng)關(guān)、IO-Link 主站 - TSN 網(wǎng)關(guān)、OPC UA over TSN）實現(xiàn)新舊系統(tǒng)兼容，TI 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)  SoC 也非常適合這類應(yīng)用。

PRU-ICSS 的強大性能需依托處理器整體架構(gòu)才能充分發(fā)揮優(yōu)勢，TI AM 系列處理器通過“PRU-ICSS+主 CPU+豐富互聯(lián)接口”的組合，通過結(jié)合不同的處理器內(nèi)核，達到高中低端應(yīng)用全覆蓋，且支持上下兼容，保護軟硬件開發(fā)投資。

全協(xié)議兼容：PRU-ICSS 支持 PROFINET IRT, PROFINET RT, EtherNet/IP, EtherCAT, TSN 等幾乎所有主流工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)了認(rèn)證且無入門開發(fā)費，開發(fā)者可通過 TI 的 IND-COMMS-SDK、Linux SDK 或第三方合作伙伴獲取協(xié)議棧，大幅降低開發(fā)門檻。

實際測試結(jié)果顯示，AM24/26/64 在 EtherCAT 協(xié)議表現(xiàn)為 31.25 μs 最小周期，EtherNet/IP 為 1ms，PROFINET 為 1ms（RT），250μs（IRT）。

算力協(xié)同：搭載不同內(nèi)核數(shù)量的 Arm Cortex-R5F 或 Arm Cortex-A53，與 PRU-ICSS 實現(xiàn)高效分工——主 CPU 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、人機交互等復(fù)雜業(yè)務(wù)，PRU 專注實時協(xié)議處理，通過共享 RAM 進一步降低數(shù)據(jù)交互的抖動與延遲。

工業(yè)級可靠性：內(nèi)置 AES、RSA 等硬件加密模塊保障數(shù)據(jù)安全；寬溫工作范圍（-40℃ 至 105℃），完美適配工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

高擴展性：提供千兆以太網(wǎng)、PCIe、USB、CAN-FD 等豐富接口，可輕松對接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、存儲設(shè)備與人機界面，支持 FreeRTOS、Linux 等多操作系統(tǒng)選擇。

“更快、更穩(wěn)、更靈活”永遠(yuǎn)是工業(yè)通信領(lǐng)域追求的核心目標(biāo)，TI 的 Sitara 處理器無疑是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理的加速利器。憑借完善的軟硬件支持，一方面，可靈活支持各類常見的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及 TSN，另一方面，高性能的協(xié)處理器內(nèi)核，滿足實時任務(wù)分配、處理、數(shù)據(jù)交換等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新需求，解決了工業(yè)用戶在實時性、兼容性和靈活性上的痛點，有效支撐起工業(yè)實時互聯(lián)的創(chuàng)新，以及新舊網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡的升級需求。

十幾年來，Sitara 系列 MCU 與 MPU 在工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)久不衰，見證了工業(yè)系統(tǒng)從半自動化到智能化的升級。如今隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求的不斷升級，Sitara 通過增強網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理方面的獨特能力，同時結(jié)合其在計算、控制、安全、可靠性等多方面優(yōu)勢，支持并引領(lǐng)著新一輪的高效、智能的“工業(yè)革命”。