自從Xerox公司在上個世紀70年代中期引入以太網概念，并由IEEE 802.3在1983年標準化后，以太網已經成為世界上計算機通信的事實標準。從3Mb/s的銅纜系統發展到了可靠性更高、成本更低的100Mb/s非屏蔽雙絞線（Cat5 UTP）系統，以太網技術不斷發展，市場上已經有支持1Gb/s以太網的器件，10Gb/s器件也浮出水面，以太網今后將繼續服務于市場。

以太網的應用范圍、實用性和易用性，以及工廠系統和公司網絡相集成的壓力，促使工業開發人員開發基于以太網的工業連網解決方案，兼容工業現場總線通信方案，甚至能夠替代它。目前有很多基于以太網的工業通信協議，每種協議都有自己的優缺點。部分協議已經標準化，或者“開放”，任何開發人員都可以實施這些協議。很顯然，開放協議會越來越流行，被業界廣泛采用。

有的解決方案只是簡單的在標準以太網數據包中封裝現場總線或者應用數據，因此，僅僅需要實現標準以太網(盡管由于不具有確定性而導致實時性能較差)。但是，很多工業以太網協議需要額外的定制軟件，大部分高性能協議還需要定制硬件，所以很難開發并維護支持多種協議的解決方案。

協議不但數量多，而且還在不斷發展，在技術上改進基本以太網標準。為提高競爭能力，工業設備生產商必須找到有效的途徑，盡可能多的支持工業以太網協議，迅速適應協議的變化，支持新協議，采用其他的系統改進措施。

實現通用工業以太網解決方案

當需要新的工業以太網ASIC/ASSP器件時，必須開發電路板，帶來了和新硬件相關的成本以及時間問題。當以太網協議更新時，需要開發新的ASIC/ASSP器件，甚至多次開發電路板，以同時支持已有的協議和新協議。依靠ASIC/ASSP器件會帶來供應問題，隨著協議的迅速發展，器件可能會出現過時問題。這類解決方案比較昂貴，難以提供支持，不能迅速實現新功能。

然而，所有這些問題都可以通過使用FPGA器件實現工業以太網接口來解決，如圖1所示。FPGA的關鍵優勢之一是它很容易重新配置；開發一塊電路板，任何時候都可以針對工業以太網對硬件進行編程，例如，在產品發售前，甚至是在現場! 如果需要不同的協議，或者客戶修改了訂單，所要做的只是對FPGA重新編程，利用FPGA配置文件幾秒鐘內就可以完成。這類多標準解決方案大大降低了開發成本，減少了庫存和供應鏈問題。

圖1 基于FPGA的2通道普通工業以太網系統

結合以太網收發器(稱為PHY)后，FPGA能夠實現以太網接口需要的所有功能。

FPGA硬件是可編程的，因此，可以建立含有兩個以上軟核微處理器的系統，在FPGA中集成應用軟件處理功能。

基于FPGA的硬件設計

進行處理器和以太網MAC硬件設計表面看起來會很困難，但是，由于有SOPC Builder等工具以及預構建的處理器和以太網MAC IP組件，實際是相對簡單的任務。SOPC Builder集成在Altera的Quartus II開發環境中，經過專門設計，可以輕松進行基于IP的可編程芯片系統（SOPC）設計。開發人員利用圖形用戶接口(GUI)而不是HDL編碼來設計系統；SOPC Builder自動加速實現IP系統的配置、集成和生成。

在處理器上運行軟件協議

在支持以太網的嵌入式系統中，處理器提供高層功能（如TCP和UDP等）。以Altera的免版稅32位RISC Nios II處理器為例，它有三種二進制兼容型號，每一型號都針對不同的體積和性能比進行了優化，如表2所示：Nios II/f面向高性能，Nios II/e體積最小，Nios II/s在體積和性能上達到均衡。由于Nios II處理器作為SOPC Builder IP組件來實現，因此，很容易建立基于處理器的系統，它包括以太網MAC IP、大量的其他外設組件，甚至是多個Nios II處理器。利用SOPC Builder GUI，可以迅速輕松地構建Nios II處理器系統，滿足設計人員的需求，甚至針對不同的應用建立不同版本的系統。

SOPC Builder可以直接使用Nios II處理器，它與Quartus II軟件提供的免費IP兼容。這些IP包括標準處理器外設功能模塊（如UART、PIO和存儲控制器等)，以及Altera及其合作伙伴提供的大量IP組件（如以太網MAC、CAN、USB、PCI、PCI Express、FFT、FIRDSP和視頻處理等)。在功能強大的Nios II軟件開發環境中，由自動集成到軟件構建系統中的Nios II驅動器來實現這些組件。這一環境基于開發人員熟悉的Eclipse和GNU，支持C語言和匯編語言開發。

工業以太網硬件和軟件IP

目前，已經有7種不同工業以太網協議可以使用的商用IP包。硬件IP一般封裝為SOPC Builder組件，它包括MAC以及其他需要的邏輯。軟件IP則作為以C語言針對Nios II處理器編寫的庫或者軟件API來實現。有的供應商提供預構建FPGA配置，設計人員使用FPGA器件與使用現成的ASIC/ASSP組件一樣方便。

總結

工業市場的以太網技術有很多優點，預計該技術今后五年會有強勁增長。有很多工業以太網協議，每一協議都有自己的獨到之處。很明顯，以太網技術會不斷發展，推動了現有和新的工業以太網解決方案的進展。1Gb/s和10Gb/s以太網技術以及目前802.3標準的不斷改進會實現更好的性能，提高可靠性。同樣，保密和安全協議等其他工業領域也推動了工業以太網標準的進展，這對工業設備生產商而言是進一步的挑戰。

低成本FPGA和軟核微處理器IP的出現為工業以太網提供了高性價比的可編程解決方案。在相同的基本硬件上，FPGA能夠支持基于以太網的工業通信協議，具有可編程器件的系統集成、靈活性以及不會過時等優點。可編程硬件、SOPC Builder和Nios II處理器相結合，使開發人員能夠輕松地修改上層和底層以太網協議，而不必改動物理硬件。隨著現有協議的發展，以及新協議的出現，擁有靈活的高性價比工業以太網協議解決方案顯得非常重要。利用FPGA實現工業以太網已經成為所有工業設備生產商必須采用的方法。