傳感器、執(zhí)行器、驅動器和可編程邏輯控制器 (PLCs) 等工廠自動化設備支持多種工業(yè)以太網協(xié)議（例如 EtherCAT、Profinet、以太網工業(yè)協(xié)議 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每種協(xié)議均可通過在硬件平臺上加載不同的軟件映像進行替換。

多協(xié)議工業(yè)以太網系統(tǒng)可在硬件開發(fā)周期內降低制造成本，通過僅要求制造單個印刷電路板來降低物料清單成本，從而加快產品上市時間。制造商可以使用不同的工業(yè)以太網協(xié)議為工廠自動化提供現(xiàn)場設備，如數字輸入模塊或伺服驅動器。

諸如德州儀器的可編程實時單元工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS) 等架構，能夠支持現(xiàn)場器件 1,000Mbps 的工業(yè)以太網速率，特別是在采用新的時間敏感型網絡 (TSN) 協(xié)議的情況下。

工業(yè)以太網系統(tǒng)架構

圖 1 展示了工業(yè)以太網現(xiàn)場器件中，與 PLC 和其他現(xiàn)場器件交換過程數據的主要元件。其中，兩個以太網端口支持線型或環(huán)型以太網拓撲，這表示 PLC 通過以太網電纜連接到一系列現(xiàn)場器件，無需以太網交換機。

圖 1：工業(yè)以太網現(xiàn)場器件系統(tǒng)方框圖

從 RJ45 連接器上，介質相關接口 (MDI) 連接到磁性元件，這些磁性元件在以太網幀到達以太網物理層 (PHY) 收發(fā)器之前提供與其他器件的隔離柵。

PHY 將以太網幀進行模數轉換（接收器）和數模轉換（發(fā)送器），并通過介質獨立接口 (MII)、簡化千兆位介質獨立接口 (RGMII) 或串行千兆位介質獨立接口 (SGMII) 輸出數字比特流。

PHY 在工業(yè)以太網中發(fā)揮著重要的作用，其重要性與介質訪問控制器 (MAC) 相當。PHY 必須支持不同線對（用于 T1 單線對以太網的單線對、用于 100Mbps 以太網的雙線對和用于 1,000Mbps 以太網的四線對）的銅介質，具體取決于 MDI。部分工業(yè)以太網網絡還支持光纖，光纖具有更好的電磁兼容性 (EMC) 并能在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中更好地抵御電磁干擾。

接下來，以太網字節(jié)流通過 MII 進入 MAC。MAC 負責工業(yè)以太網協(xié)議，是用于實現(xiàn)多協(xié)議工業(yè)以太網支持的重要功能塊。

由于每種工業(yè)以太網協(xié)議在提取和插入過程數據時處理工業(yè)以太網幀的方式各異，MAC 處理方法必須針對每種協(xié)議進行變化。MAC 等應用特定集成電路解決方案通常固定為使用單個協(xié)議，不具備多協(xié)議能力。支持多協(xié)議的 MAC 必須支持多種以太網幀處理方法，例如動態(tài)處理、直通轉發(fā)、幀搶占以及存儲轉發(fā)。

MAC 可通過接口將來自 PLC 的過程數據傳輸到中央處理單元 (CPU)。如果 MAC 是物理上獨立的器件，該接口速率較低（串行外設接口 (SPI) 或 I2C，或者存儲器映射外部總線）。如果 MAC 與 CPU 集成，共享高速存儲器提供該接口并在 MAC 和 CPU 之間同步過程數據。

CPU 執(zhí)行多種任務。每種工業(yè)以太網協(xié)議均需要一個軟件棧來與 MAC 進行交互，以便交換過程數據?，F(xiàn)場器件使用此過程數據來控制數字輸入和輸出或控制伺服驅動器的速度和旋轉。

如果系統(tǒng)包含多個 CPU，通常的做法是將工作負載進行拆分，其中工業(yè)以太網棧運行在其自身的 CPU 上，工業(yè)應用運行在其他 CPU 上。

可以在 CPU 內核上運行不同種類的操作系統(tǒng) (OS)：高級操作系統(tǒng)（例如 Linux 或實時 Linux）或實時操作系統(tǒng) (RTOS)（例如 Free-RTOS 或 no-OS）。

用于多協(xié)議工業(yè)以太網的德州儀器 Sitara 系列解決方案和以太網 PHY

德州儀器 Sitara 處理器系列支持可編程 MAC 以及與其集成的 PRU-ICSS 外設。PRU 在運行時加載任一工業(yè)以太網協(xié)議固件。Sitara AM6442 如圖 2 所示，AM2434 和 AM2434 支持 1,000Mbps 協(xié)議，例如 TSN。PRU-ICSS 還充當標準以太網 MAC 和兩端口以太網交換機。

圖 2：用于實現(xiàn)多協(xié)議工業(yè)以太網支持的 Sitara AM6442 處理器解決方案和 PRU-ICSS

德州儀器 Sitara 處理器系列能夠支持 PRU-ICSS 的多個實例，從而支持位置編碼器（EnDAT 2.2、HIPERFACE 數字伺服鏈路 [DSL]、雙向串行同步 [BiSS]）、脈寬調制 (PWM) 以及用于外部隔離式模數轉換器的 Δ-Σ 抽取濾波器等工業(yè)外設。伺服驅動器使用這些外設。

德州儀器 Sitara 處理器還集成工業(yè)應用使用的多種功能，包括 ADC、SPI、I2C 和通用存儲器控制器。片上系統(tǒng)還具有內部共享存儲器，用于在 MAC 和 CPU 之間交換過程數據。

如圖 3 所示，德州儀器 Sitara 處理器系列具有適用于高級操作系統(tǒng) (HLOS) 的多個 Arm Cortex-A53 內核，適用于 RTOS 或裸機應用的多個 Arm Cortex-R5F 內核以及適用于工業(yè)以太網 MAC 的 PRU-ICSS。

圖 3：使用 RTOS、HLOS 和固件的多核處理器解決方案和 PRU-ICSS

通過集成可編程 MAC 的方法，支持多協(xié)議工業(yè)以太網所需的不同幀處理方法，并且將應用處理器置于單個芯片上。通過內部高速存儲器接口，可實現(xiàn)處理器和 MAC 之間過程數據的快速交換，并且該系列提供可擴展的處理器內核。

德州儀器提供了適用于 Sitara 處理器系列的評估模塊 (EVM) 以及使用 DP83867 或 DP83869 以太網 PHY 收發(fā)器的以太網 PHY 解決方案。