時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)解決方案消弭工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通訊缺口

本文說(shuō)明全新i.MX RT1180為整合Gbps時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）交換器的微控制器，如何整合實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)效能來(lái)處理時(shí)間敏感型和工業(yè)實(shí)時(shí)通訊，同時(shí)包含先進(jìn)的EdgeLock安全區(qū)域（secure enclave），以及廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，幫助開(kāi)發(fā)人員獲得簡(jiǎn)化的微控制器開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。
全球各地的制造商已經(jīng)在運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)從根本上改善營(yíng)運(yùn)、簡(jiǎn)化生產(chǎn)并優(yōu)化制造能力。制造商們并沒(méi)有拆除現(xiàn)有工廠，重建生產(chǎn)車(chē)間，而是添加部署了更高效的設(shè)備、更先進(jìn)的機(jī)器人和更快速的網(wǎng)絡(luò)。
而諸如PROFINET等傳統(tǒng)協(xié)議之間的通訊缺口，使這些新技術(shù)難以與現(xiàn)有系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)需要透過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。這種完全同步的操作需要能支持復(fù)雜協(xié)議組合并提供向后兼容的技術(shù)。為此，不僅需要優(yōu)化的處理能力、低功耗、硬件安全和靈活的架構(gòu)，同時(shí)還需要系統(tǒng)具備時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。

 
圖1 : 全球各地的制造商已運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)，期望能從根本上改善營(yíng)運(yùn)、簡(jiǎn)化生產(chǎn)并優(yōu)化制造能力。

為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的工業(yè)應(yīng)用需求，i.MX RT1180跨界MCU為恩智浦首款整合Gbps時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking；TSN）交換器的微控制器，支持實(shí)時(shí)通訊和多種通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)和工業(yè)4.0平臺(tái)之間的融合。i.MX RT1180也是恩智浦首款帶有EdgeLock安全區(qū)域（secure enclave）的跨界MCU，EdgeLock安全區(qū)域是一個(gè)預(yù)先配置、自我管理式自主內(nèi)建（autonomous on-die）的安全子系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造部署可靠的系統(tǒng)級(jí)安全的復(fù)雜性。
透過(guò)運(yùn)用整合TSN交換器和安全區(qū)域的一體化MCU解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求，處理時(shí)間敏感型流量和竭盡所能的傳輸流量，支持安全自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊能力。

邁向工業(yè)多協(xié)議互聯(lián)的新時(shí)代
使用整合TSN交換器和支持多協(xié)議的MCU可帶來(lái)顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)可以透過(guò)交換器傳入或傳出，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸可以在無(wú)延時(shí)的情況下中斷非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。這些數(shù)據(jù)隊(duì)列由交換器驅(qū)動(dòng)程序管理，并與協(xié)議堆棧（protocol stack）連接，以實(shí)現(xiàn)最高效的數(shù)據(jù)傳輸。得益于此，應(yīng)用軟件可以從管理交換器、設(shè)置低層緩存器或跟蹤復(fù)雜的時(shí)間管理過(guò)程的任務(wù)中解放出來(lái)，使時(shí)間敏感型應(yīng)用能夠始終正常運(yùn)行。
i.MX RT1180是具有實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)功能的最小MCU之一，因此更容易將應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵型多協(xié)議和TSN功能整合至更廣泛的工業(yè)用例中。自動(dòng)化任務(wù)需要實(shí)時(shí)控制所有設(shè)備和整個(gè)工廠，并保證高精確度、低延遲，RT1180提供了優(yōu)化的解決方案。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使用場(chǎng)景包括工廠自動(dòng)化、緊湊型運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)控制工業(yè)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、交流/伺服驅(qū)動(dòng)器、遠(yuǎn)程I/O管理和IO鏈路控制器。
i.MX RT1180跨界MCU支持符合EC/IEEE 60802工業(yè)TSN規(guī)范的最新TSN標(biāo)準(zhǔn)，以及多種工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、CC-Link IE和HSR。它還提供多達(dá)5個(gè)Gb網(wǎng)絡(luò)端口，包括第2層TSN交換器上的4個(gè)埠和TSN端點(diǎn)控制器上的1個(gè)埠。
除了提供整合的TSN解決方案外，i.MX RT1180跨界MCU還可作為工業(yè)設(shè)計(jì)中的配套芯片，無(wú)需板載PHY，即可在主機(jī)設(shè)備和配套設(shè)備之間提供無(wú)縫的1 Gb直接通訊，進(jìn)而省下額外的電源并節(jié)約成本。

為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)保駕護(hù)航
雖然智慧工廠帶來(lái)的好處毋庸置疑，如提高生產(chǎn)和調(diào)運(yùn)效率并節(jié)省成本，但工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)也帶來(lái)了新的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著工廠聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的激增，潛在的網(wǎng)絡(luò)安全威脅也在增加。工業(yè)流程、營(yíng)運(yùn)和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)不足，易受攻擊，如盜用公司數(shù)據(jù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)、干擾或阻礙流程控制、網(wǎng)絡(luò)安全漏洞以及對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)建設(shè)和供應(yīng)鏈的大面積攻擊。
為了?明工廠、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)抵御數(shù)字攻擊，制造商必須采用并不斷維護(hù)先進(jìn)、全面的工業(yè)安全平臺(tái)。從設(shè)備端和系統(tǒng)級(jí)保護(hù)提升安全性，對(duì)確保當(dāng)今智慧互聯(lián)工廠的安全至關(guān)重要。即使是MCU等系統(tǒng)級(jí)組件也必須提供高級(jí)安全功能。EdgeLock安全區(qū)域是完全整合的芯片上（on-die）安全子系統(tǒng)，正好滿(mǎn)足要求。
EdgeLock安全區(qū)域的功能可以看作i.MX RT1180跨界MCU中的「安全總部」，監(jiān)督所有安全功能，保護(hù)設(shè)備免受物理和網(wǎng)絡(luò)攻擊。它能自主管理關(guān)鍵安全功能，如管理信任根、運(yùn)行時(shí)證明、信任配置、安全啟動(dòng)、密鑰管理和加密服務(wù)等，簡(jiǎn)化為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的裝置范圍安全智能的復(fù)雜性。
EdgeLock安全區(qū)域還為IEC 62443系統(tǒng)合規(guī)性奠定了組件級(jí)基礎(chǔ)。IEC 62443是一套安全標(biāo)準(zhǔn)，定義了工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)（IACS）的安全開(kāi)發(fā)。這些標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)對(duì)工業(yè)廠房、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)安全威脅要求提供了必要的基礎(chǔ)。IEC 62443合規(guī)性有助于制造商避免部分和/或沖突要求的激增，可滿(mǎn)足多個(gè)行業(yè)部門(mén)和營(yíng)運(yùn)場(chǎng)所對(duì)營(yíng)運(yùn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全需求。

專(zhuān)為提高效率而設(shè)計(jì)
為了提供高效能和設(shè)計(jì)靈活性，i.MX RT1180跨界MCU的高效SoC設(shè)計(jì)包括雙核架構(gòu)，搭載800 MHz Arm Cortex-M7和Cortex-M33內(nèi)核，可協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)和應(yīng)用處理任務(wù)。它可以輕松地與恩智浦i.MX處理器等主機(jī)芯片進(jìn)行通訊。這種兼容性簡(jiǎn)化了工業(yè)設(shè)計(jì)，并精簡(jiǎn)了實(shí)施方案。無(wú)需板載PHY（on-board PHY）即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1Gbps的可擴(kuò)展無(wú)縫主/從芯片通訊，有助于降低工業(yè)設(shè)計(jì)中的功耗和成本。

 
圖2 : i.MX RT1180架構(gòu)圖

i.MX RT1180片內(nèi)整合了電源管理IC（PMIC），專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)高能效而設(shè)計(jì)，適合設(shè)計(jì)功耗為250mW及以上的應(yīng)用場(chǎng)景，有助于對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要的卓越能效，同時(shí)還可降低電路板的復(fù)雜性和BOM成本。
i.MX RT1180跨界MCU采用10 mm x 10 mm或14 mm x 14 mm BGA封裝，可在穩(wěn)健的擴(kuò)展溫度范圍（-40℃至+125℃）下運(yùn)行，為全年全天候運(yùn)行的工廠設(shè)備提供工業(yè)認(rèn)證和高可靠性，廣泛的開(kāi)發(fā)人員生態(tài)體系簡(jiǎn)化基于i.MX RT1180 SoC搭建系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)體驗(yàn)。MCUXpresso軟件和工具套件包括設(shè)備配置工具、驅(qū)動(dòng)程序和中間件、功能齊全的IDE、SDK示例和安全配置工具，適用于基于Arm Cortex-M技術(shù)的恩智浦MCU。
i.MX RT1180跨界MCU為智能工廠搭建了通往未來(lái)的橋梁，采用整合的TSN交換器消弭傳統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間的缺口。
（本文作者Christian Castel為恩智浦半導(dǎo)體邊緣處理業(yè)務(wù)工業(yè)自動(dòng)化營(yíng)銷(xiāo)全球負(fù)責(zé)人）