瑞萨的新产品:工业以太网通信LSI

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铃木: “R-IN32M3系列”产品最显著的特征之一,就是搭载了硬件实时操作系统“RTOS加速器”。如果所有的软件处理都交由CPU进行处理,不仅很费时间,而且还存在处理时间出现巨大偏差,即响应的波动变大的问题。“R-IN32M3系列”在CPU上集成了ARM Coretex-M3,而且,RTOS由独立的硬件(*1)构成。因此,使器件整体实现了5到10倍的高速性及低波动率。

*1:采用了以Kernelon Silicon公司开发的ARTESSO体系结构为基础的专用技术

解决FA网络的问题 高速且支持多协议的“工业以太网通信LSI”登场

“制造业”的生产现场正在酝酿着重大的变化。众所周知,目前,FA(工厂自动化)正在得到积极推进,即使用工业机器人等来替代以往需由人手进行的多种操作,从而实现无人化生产,提高生产效率以及提高安全性等。其中的大变革起源于支撑着FA的工业网络。将多个符合不同规格的FA设备连接到以世界标准的网络规格即以太网(Ethernet)为基础的工业以太网(Industrial Ethernet)上。

对于这次堪称“地壳变动”式的大变革,瑞萨也早早地采取了行动,并开始提供工业以太网通信LSI。为了更详细地了解已进行样品提供的工业以太网通信LSI,我们采访了第一解决方案业务部总经理传田明先生和同部门的产业能源SoC设计部的部门经理铃木克信先生。

“制造业”现场的期待(1)统一为以太网

在瑞萨发表了工业以太网通信LSI之后,“制造业”的现场将会发生什么变化呢?请介绍一下开发的背景。

传田: 这次所发表的“R-IN32M3系列”是支持FA新变化的工业以太网通信ASSP(用于特殊用途的标准产品)的第一种产品。由多个制造装置及生产设备组成网络且推进自动化发展的先进的制造方式即是FA(工厂自动化)。而FA中的通信网络是以管理整个网络的计算机为顶端的,下层由PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)等的网络、驱动电机转动或使机器人运行的网络、以及终端传感器及电机等组成的金字塔形的阶梯状的结构。但是,长时间以来,各阶梯内的通信方法各不相同,如金字塔顶端为以太网(Ethernet),而其下的各阶梯中为由各公司独自的规格构成的复杂的网络结构。

所以,最近将所有的通信网络都统一为以太网的呼声很高。如果将通信方式都统一为以太网,不仅可使工厂中信息的变得更透明,还可以压缩成本。所以,将通信方式统一为以太网也被称为工业网络的“地壳变动”式的大变革。

Mr. Denda

Akira Denda

General Manager Industry & Network Solutions Business Division 1st Solution Business Unit

图1:工业网络的大变革

图1:工业网络的大变革

“制造业”现场的期待(2) 支持多协议

以太网是世人所熟知并被广泛用于办公室或家庭中的计算机网络规格。那么,工业以太网与一般的以太网有什么不同呢?

铃木: FA中所使用的工业以太网与一般的以太网存在些许不同。其中之一就是它具有各种各样的协议(步骤的规格)。如大家熟知的就有“PROFI NET”、“Modbus-IDA”、“EtherNet/IP”、“CC-Link IE”、“ETHERNET POWERLINK”、“EtherCAT”等。因此,还需准备可支持各种规格的通信LSI,非常麻烦。

另一个不同点是,对严格规定了时间的处理进行高精度处理时,在实时性及高速性方面的要求很高。例如,一个PLC上连接有几百个电机或传感器的情况并不鲜见。如果靠近PLC的机器与在远离PLC的位置上的机器的响应速度不同,那么,整个网络的速度就必须参照最慢的机器的速度,这将导致生产性降低。

Mr. Suzuki

Katsunobu Suzuki

Section Manager Industry & Energy SoC Department Industry & Network Solutions Business Division 1st Solution Business Unit

可满足顾客需求的 工业以太网通信ASSP 第一种产品

“R-IN32M3系列”是针对上述的情况而推出的,是一种可支持各种规格且实现了多协议和高速化的产品。同时也是一种搭载了以太网加速器及RAM(1.3MB)等的单芯片解决方案(One-Chip Solution)。

图2:工业以太网通信LSI “R-IN32M3系列”

图2:工业以太网通信LSI “R-IN32M3系列”

5~10倍的超高速性能

与一般的以太网相比,工业以太网好像对通信LSI的要求更高。那么请介绍一下高速化的“R-IN32M3系列”的主要特征吧!

铃木:“R-IN32M3系列”产品最显著的特征之一,就是搭载了硬件实时操作系统“RTOS加速器”。如果所有的软件处理都交由CPU进行处理,不仅很费时间,而且还存在处理时间出现巨大偏差,即响应的波动变大的问题。“R-IN32M3系列”在CPU上集成了ARM Coretex-M3,而且,RTOS由独立的硬件(*1)构成。因此,使器件整体实现了5到10倍的高速性及低波动率。

*1:采用了以Kernelon Silicon公司开发的ARTESSO体系结构为基础的专用技术。

图3:通过“R-IN32M3系列”实现了支撑工业以太网的高性能

Mr. Suzuki

例如,使用相同的CPU将从发生中断到开始操作为止所需要的时钟数进行比较,软件OS需要850~2000个时钟,而“R-IN32M3系列”只需124~150个时钟。即速度提高了5.6~16倍,而且到响应为止的波动宽度不超过1/40。

图4为将运行两个任务时的处理时间进行比较的图示。从图4可看出,“R-IN32M3系列”的速度提高了3倍。由于实际上运行的任务不止2个而是超过几十个,所以其差将变得更大。另外,图5所示的是从主控制器到从栈控制器中产生了中断后,将从栈控制器发出的响应时间进行比较的图示,从图5可看出,其速度提高了6.5倍。图4及5中所示的均是以50MHz进行驱动时的数据,而这次新推出的产品为100MHz,所以实际上可进行更高速的处理和实现更低的波动。从这方面来说,仅从达到上述性能要求的方面来说,至今为止还无其他产品能出其右。

图4:多任务转换时间比较@50MHz

图4:多任务转换时间比较@50MHz

图5:从栈中断响应时间比较@50MHz

图5:从栈中断响应时间比较@50MHz

Mr. Denda

传田: 如果将高速化换成另外一种说法,就是在进行同样的处理时可减少功耗。目前,FA业界对于高速化以及进行大容量通信的要求越来越高,同时,低功耗也是必不可少的条件。例如,在必须能进行精确定位的半导体装置中,为了尽量抑制振动而不允许使用散热风扇,所以必须降低控制板的功耗而抑制其产生热量。对于要求CPU必须达到300~400MHz(或与此能力相当的功耗)的软件处理,“R-IN32M3系列”只需50MHz便可进行处理。

铃木:由于硬件的高速化与支持多协议等的系统柔性互为反作用的关系,所以不能一概认为只要从硬件方面解决问题就好了。“R-IN32M3系列”中具有将协议处理部分或RTOS的一部分留在软件中等以确保其系统柔性的结构。

图4:同时实现了高速性和系统柔性

图4:同时实现了高速性和系统柔性

开始着眼于千兆以太网(Gigabit Ethernet)及运动控制等

听说瑞萨已开始提供样品了,那就请您讲一讲今后的发展计划及展望吧。

传田: 数量众多的工业以太网规格都是由开放性团体作出规定并进行管理的。作为众多参与成员中的一员,面对市场需求瑞萨可迅速作出应对。其中,我们计划将活动从搭建千兆以太网PHY以及网络控制等扩展到支持电机控制等的运动控制方面,以扩大在FA领域中的应用的广度。另外,以太网的扩展并不局限于FA领域。现在,可将大量数据传到网络的应用程序到处可见。“R-IN32M3系列”的技术正是为了应对这种需要而开发出来的,今后我们还想将其应用到更多的领域。

现在“R-IN32M3系列”正支撑着世界上的“制造业”现场,另外,让我们一起期待着从这个新技术中诞生产生出新的应用程序吧。

项目 规格
CPU内核 ARM公司的Cortex-M3 32bit RISC CPU
+Real-Time OS Accelerator(Hardware Real-Time OS)100MHz
内置RAM Instruction RAM : 768KB, Data RAM : 512KB, Buffer RAM : 64KB
DMA总线功能(系统・总线方面) 4通道+1通道(用于实时・端口)
外部存储器访问功能 总线宽度选择功能(16bit/32bit)
页面ROM/ROM/SRAM接口
同步式突发存储器接口
外部单片机接口 总线优化功能(16bit/32bit)
静态存储器用的通用接口
串行闪存ROM 支持各公司SPI兼容串行接口
存储器控制功能 支持Fast Read, Fast Read Dual Output, Fast Read Dual I/O模式
内置外围功能 Timer (3 functions), Watchdog Timer (1ch), UART (2ch),
I2C (2ch), CAN (2ch), CSI (2ch)
  I/O端口 CMOS输入/输出:最大96个
10/100/1000Mbps Ether MAC(注1) 1通道
开关功能(2端口)
GMII/MII接口
10/100Mbps EtherPHY(注2) 2端口
支持10BaseT, 100BaseTX/FX
CC-Link 1通道
CC-Link IE注1 CC-Link IE Field (智能设备站)
EtherCAT注2 EtherCAT Slave controller
片上调试功能 选择串行调试(Serial Wire Debug)或JTAG调试
完全跟踪(full trace)功能(内置ETM)
电源电压 引脚电源用:VDD33 = 3.3±0.3V
内部电源用:VDD10 = 1.0±0.1V
工作温度 -40℃ ~ +85℃
封装 324引脚 PBGA(19mm x 19mm, 1.0mm pitch)

注1:仅支持R-IN32M3-CL

注2:仅支持R-IN32M3-EC

图7:“R-IN32M3系列”的规格