工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)階篇，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性

工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用很多，但在應(yīng)用過程中，工業(yè)以太網(wǎng)存在一些問題需要解決，如如何保證工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。為幫助大家解決該問題，本文將對工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)加以探討。如果你對工業(yè)以太網(wǎng)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

實(shí)時(shí)表示系統(tǒng)在一個(gè)確定時(shí)間內(nèi)處理外部事件。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)是，如果邏輯和時(shí)序出現(xiàn)偏差將會(huì)引起嚴(yán)重后果的系統(tǒng)。有兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)：軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)中系統(tǒng)的宗旨是使各個(gè)任務(wù)運(yùn)行得越快越好，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長時(shí)間內(nèi)完成。在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各任務(wù)不僅要執(zhí)行無誤而且要做到準(zhǔn)時(shí)。大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是二者的結(jié)合。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用涵蓋廣泛的領(lǐng)域，而多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)又是嵌入式的。這意味著計(jì)算機(jī)建在系統(tǒng)內(nèi)部，用戶看不到有個(gè)計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)里面。實(shí)時(shí)通信的一般要求：

確定性的響應(yīng);

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間<=5ms;

以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信應(yīng)對設(shè)備處理器造成小的負(fù)擔(dān)，以太網(wǎng)(Ethernet)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox(施樂)公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3。圖1表明了哪些因素影響通訊周期。

實(shí)現(xiàn)通信的一種方式使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，例如TCP/IP或者UDP/IP等，然而使用它們會(huì)帶來缺點(diǎn)：幀過載會(huì)增加幀的長度，因而會(huì)引起線路上傳輸時(shí)間的增加見下圖。

通過對發(fā)送器和接收器的通訊棧的優(yōu)化，可以使更新率有相當(dāng)大的改觀，而且處理器負(fù)載也會(huì)相應(yīng)減少。然而，對通信棧的運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化也就意味著此時(shí)的TCP/IP通訊棧不再是一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而只是一種專門的實(shí)現(xiàn)方式了，對UDP/IP實(shí)現(xiàn)的使用也是同樣。

然而第三層和第四層的協(xié)議只是適合部分的周期交換數(shù)據(jù)，對于這種應(yīng)用，建議使用遵照ieee802.3制定優(yōu)化第二層協(xié)議。這是唯一的局限就是：由于沒有使用第三層協(xié)議，所以就會(huì)失去路由功能。但是作為工業(yè)一級以太網(wǎng)設(shè)計(jì)中盡量不要設(shè)計(jì)路由器，因?yàn)檫@會(huì)大大降低通信速度。

通過軟件方案或者使用特殊的硬件，可以在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)控制器上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信通道。該通道基于ISO/OSI參考模型的第二層見表1。此處數(shù)據(jù)包的尋址不是通過IP地址來實(shí)現(xiàn)的，而是使用接受設(shè)備的MAC地址。實(shí)時(shí)通信允許精確限定(預(yù)測)傳輸時(shí)間，并能保證其它標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/IP可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上使用而不會(huì)產(chǎn)生問題。

實(shí)時(shí)協(xié)議保證了周期數(shù)據(jù)和事件控制消息(警報(bào))的高性能傳輸。它分為三種類型見上圖。

實(shí)時(shí)類型1：適合周期數(shù)據(jù)傳輸;對所有使用的交換機(jī)沒有特殊要求。

實(shí)時(shí)類型2：適合中斷數(shù)據(jù)和周期數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)需要工業(yè)交換機(jī)，然而，在組態(tài)的時(shí)候還不需要對通信進(jìn)行規(guī)劃。

實(shí)時(shí)類型3：適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的周期數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)時(shí)候需要工業(yè)交換機(jī)，而且還需要對通信進(jìn)行明確的規(guī)劃。

在沒有實(shí)時(shí)性需求的數(shù)據(jù)，可以在標(biāo)準(zhǔn)的通道上傳輸見表2

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