基于以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的技術(shù)之一。大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用ieee 802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，因此這些網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都采用不同的技術(shù)來提供實(shí)時(shí)性能，一些采用定制硬件，一些利用定制軟件，還有的采用完全標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)/tcp/ip實(shí)現(xiàn)。結(jié)果就出現(xiàn)了眾多不同等級(jí)性能、不同成本的互不兼容標(biāo)準(zhǔn)。

　　針對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議非確定性通信時(shí)間的一個(gè)越來越普及的對(duì)策是在每個(gè)設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)本地時(shí)鐘。由于大多數(shù)設(shè)備都有微處理器及(相對(duì))高速度的時(shí)鐘，因此這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)。若能在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)和保持精確的時(shí)鐘同步，同時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)的精確運(yùn)作時(shí)序，那么該方法的唯一限制就是通信延時(shí)以及系統(tǒng)范圍內(nèi)的時(shí)鐘同步精度。

　　這種系統(tǒng)控制方法不適合精確運(yùn)動(dòng)控制(如對(duì)負(fù)荷不斷變化的電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制)等應(yīng)用，因?yàn)樗鼈円罂刂破骱驮O(shè)備間的通信延時(shí)很短，但它對(duì)需要高度同步系統(tǒng)級(jí)控制(如速度變化)的整個(gè)系統(tǒng)(比如一家大型印刷廠或一條很長(zhǎng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線)的精確控制很有用。如果有足夠的時(shí)間給每臺(tái)設(shè)備發(fā)一條指令，則對(duì)這種基于時(shí)鐘的控制精度的唯一制約就是系統(tǒng)范圍內(nèi)的時(shí)鐘同步精度。

　　幾個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(不僅僅是基于互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn))正在采用ieee 1588標(biāo)準(zhǔn)來提供這種控制能力。ieee 1588提供了高度精確的主時(shí)鐘及經(jīng)過驗(yàn)證的時(shí)鐘同步機(jī)制，可用來生成所有本地時(shí)鐘，并與主時(shí)鐘保持非常精確的系統(tǒng)級(jí)同步。

　　基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)因其低成本以及以太網(wǎng)的易于實(shí)現(xiàn)而備受青睞。以太網(wǎng)交換機(jī)是有助于發(fā)揮這些優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵部件，而企業(yè)系統(tǒng)也非常依賴它們實(shí)現(xiàn)高性能和易于維護(hù)的基礎(chǔ)架構(gòu)。交換機(jī)的這一巨大企業(yè)市場(chǎng)意味著它們很容易實(shí)現(xiàn)，而且成本低廉，但目前市場(chǎng)上的大多數(shù)交換機(jī)不是針對(duì)低延時(shí)性能或確定性路由時(shí)間設(shè)計(jì)的，因此很難用于工業(yè)環(huán)境。

　　ieee 1588系統(tǒng)通過檢測(cè)主機(jī)和從機(jī)間通信延時(shí)來同步主機(jī)和從機(jī)的時(shí)鐘。在主機(jī)和從機(jī)時(shí)鐘之間安放一個(gè)交換機(jī)會(huì)引入額外延時(shí)，因?yàn)榻粨Q機(jī)必須分析數(shù)據(jù)包然后再行路由。增加的延時(shí)不是好事，但對(duì)它可以進(jìn)行延時(shí)修正，所以它并非主要問題。最大的問題是，當(dāng)流量增加時(shí)，路由數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間將急劇增加。

　　這是由于緩存、分析并將數(shù)據(jù)包路由至眾多目的地所需的時(shí)間引起的。這種變化極大降低了1588時(shí)鐘同步的精度，從而顯著惡化了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性能。對(duì)1588主和從時(shí)鐘間延時(shí)的測(cè)量也依賴于兩個(gè)方向上通信時(shí)間的對(duì)稱，因?yàn)椴捎玫臏y(cè)量方法是統(tǒng)計(jì)一個(gè)加有時(shí)間標(biāo)記的信息由從時(shí)鐘到主時(shí)鐘再?gòu)闹鲿r(shí)鐘返回從時(shí)鐘所用的時(shí)間再除以2。在大多數(shù)交換機(jī)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中，這種對(duì)稱性不太可能出現(xiàn)，從而進(jìn)一步降低了時(shí)鐘同步的精度。

　　不過ieee 1588標(biāo)準(zhǔn)提供了該問題的解決之道：若交換機(jī)本身也有時(shí)鐘(圖1所示)，則可測(cè)量數(shù)據(jù)包路由所需的時(shí)間并將其整合進(jìn)同步計(jì)算中。由于系統(tǒng)不需要這種功能，所以包含這類‘邊界’時(shí)鐘的交換機(jī)很難看到，即使有一般也很貴，并且通常是為特定網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定制的。隨著基于ieee 1588的網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，針對(duì)如何在產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中高效且高性價(jià)比地實(shí)現(xiàn)ieee 1588功能，制造商面臨著艱巨挑戰(zhàn)。

　　開發(fā)定制asic方案是可能的，但隨著asic開發(fā)成本的上升以及工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的迅速變化，開發(fā)此類方案速度慢、風(fēng)險(xiǎn)高且不具成本效益。也可以采用微處理器和針對(duì)特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第三方asic或assp為每個(gè)協(xié)議開發(fā)解決方案，但此舉意味著為每種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的解決方案，這樣做同樣既昂貴又沒效率。這些解決方案還可能面臨缺少靈活性和設(shè)備很快過時(shí)的問題。

　　目前，設(shè)計(jì)師只能通過仔細(xì)地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，盡量減少交換機(jī)的使用，或盡量減少實(shí)時(shí)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)流量來規(guī)避上述限制。這種網(wǎng)絡(luò)隔離措施可達(dá)到對(duì)某些應(yīng)用來說能接受的性能水平，但它們難以實(shí)現(xiàn)或維護(hù)。

節(jié)省開發(fā)時(shí)間

　　用fpga實(shí)現(xiàn)支持ieee 1588的交換機(jī)是解決該問題的理想方案。altera、國(guó)家半導(dǎo)體和morethanip公司各展所長(zhǎng)，這三家公司聯(lián)合為工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)優(yōu)化的八端口交換機(jī)設(shè)計(jì)，采用該設(shè)計(jì)可使工程開發(fā)時(shí)間縮短六到九個(gè)月。開發(fā)時(shí)間上的節(jié)省將使設(shè)備制造商在產(chǎn)品上市時(shí)間上搶得先機(jī)。

　　morethanip企業(yè)系統(tǒng)基于altera的stratix ii fpga開發(fā)的帶嵌入式ieee 1588功能的開發(fā)板。該開發(fā)板所附的參考設(shè)計(jì)通過一種簡(jiǎn)單高性價(jià)比的方式實(shí)現(xiàn)了支持ieee 1588的交換機(jī)，并且很容易修改而迎合其它系統(tǒng)及快速變化的市場(chǎng)需求。這些優(yōu)勢(shì)是都是憑借fpga的靈活性以及fpga設(shè)計(jì)內(nèi)集成的一個(gè)32位risc處理器實(shí)現(xiàn)的。

　　具有1588定時(shí)控制和可編程上行鏈路功能的以太網(wǎng)mac內(nèi)核和交換矩陣內(nèi)核知識(shí)產(chǎn)權(quán)(ip)是由morethanip gmbh開發(fā)的。morethanip企業(yè)系統(tǒng)還提供了可在32位alteranios ii risc處理器軟核上運(yùn)行的udp和1588軟件協(xié)議棧。為了提供最佳的物理接口，該八端口交換機(jī)設(shè)計(jì)選用了國(guó)家半導(dǎo)體企業(yè)系統(tǒng)