Procesory sieciowe: CAN czy Ethernet ?

O ile można sklasyfikować każdy mikroprocesor z interfejsem sieciowym jako procesor sieciowy, o tyle każdy procesor powinien wspierać jedną z szeroko rozpowszechnionych architektur magistrali, takich jak Ethernet lub CAN (Control Area Network).

Wybierając architekturę magistrali, którą należy wspierać, projektant powinien zadać sobie kilka pytań: czy zarówno CAN, jak i Ethernet znajdą w przyszłości szerokie zastosowanie? Jeżeli tak, w jaki sposób będą współistnieć? I w końcu, czy wybór magistrali będzie miał wpływ na konstrukcję procesorów sieciowych? Na te pytania możemy odpowiedzieć porównując parametry techniczne magistrali i badając rozwój sytuacji na rynku.

Fakt, że protokół CAN opiera się na komunikatach, a nie adresach, ma wiele zalet. Po pierwsze podejście takie ułatwia modularyzację układów elektronicznych – nadające sterowniki nie muszą znać odbiorników i na odwrót. Po drugie dużą rolę odgrywa łatwość serwisowania i aktualizowania. Po trzecie pozwala to na odbiór informacji zawartej w tym samym komunikacie przez wiele odbiorników. Na przykład pomiary potrzebne kilku sterownikom mogą po prostu być rozgłaszane (broadcast). W ten sposób używane pasmo transmisyjne zostaje zminimalizowane. Kolejna cecha protokołu CAN mająca nacelu ograniczenie pasma transmisyjnego nosi nazwę zdalnego żądania transmisji (Remote Transmit Request) i pozwala, aby węzeł sieci zażądał wysłania informacji przez inne węzły. Przykładowo, stosuje się to podczas wykonywania programów diagnostycznych. Zamiast nakazywać wszystkim stacjom okresowe wysyłanie informacji o stanie, można żądać informacji od niekrytycznych węzłów tylko wtedy, gdy jest ona konieczna.

Ten procesor spełnia dwie role: wbudowanego sterownika sieciowego i mostka Ethernet-CAN.

Kolejna zaleta magistrali CAN to ograniczanie błędów (Fault Confinement). Magistrala zapobiega zatrzymaniu całej linii produkcyjnej, gdy występuje problem na przyk ład z czujnikiem temperatury w pomieszczeniu. Węzły CAN mogą dokonywać samodiagnostyki i, w zależności od wagi problemu (np. trwały/tymczasowy), przejść w jeden z trzech trybów, włącznie z całkowitym zatrzymaniem. Cecha ta uniemożliwia uszkodzonemu węzłowi ciągłe powiadamianie o błędach i blokowanie komunikacji. Największą zaletą Ethernetu jest łatwy dostęp – za pośrednictwem Internetu – z komputerów i stacji roboczych zlokalizowanych na drugim końcu świata do stosu protokołów TCP/IP w procesorach sieciowych. Przy wystarczającej mocy obliczeniowej, oprogramowaniu i pamięci możliwe jest uruchomienie serwerów WWW na procesorach sieciowych. Ponadto większe długości segmentów, użycie tanich kart sieciowych i większa przepustowość pozwalają na fizyczne powiększenie sieci, umożliwiając przesył większej ilości informacji. Gniazda TCP/IP MS Windows (TCP/IP sockets) czynią projektowanie oprogramowania interfejsu znacznie prostszym, szybszym i tańszym.

Schemat arbitrażu CSMA/CD używany przez Ethernet nie uwzględnia bezstratnego arbitrażu dostępu do magistrali opartego na priorytetach (non-destructive priority arbitration), w związku z tym opóźnienie pakietów czy determinizm zachowania nie mogą być gwarantowane. Niemniej jednak w wielu sytuacjach zachodzących w sieci odpowiedź w czasie rzeczywistym nie jest istotna i istnieje wiele sposobów poprawienia wydajności Ethernetu, na przykład zastosowanie inteligentnych przełączników (switches) do przekazywania jedynie ramek przeznaczonych dla węzła podłączonego do przełącznika. Możliwości zwiększenia wydajności połączone z zastosowaniem większych przepustowości zmniejszą zużycie pasma transmisyjnego i możliwości kolizji. Jeśli chodzi o interferencję elektromagnetyczną, standardowy Ethernet nie jest wystarczająco odporny, aby używać go w pobliżu emitującego dużą ilość energii sprzętu występującego na linii produkcyjnej (np. spawarki). Uważa się, że odporność złączy Ethernetu wystarcza ledwo do użytku biurowego. Niemniej włókna optyczne, których cena maleje, zapewniają doskonałe rozwiązania. Dostępne są także złącza RJ-45 o wzmocnionej wytrzymałości i trwałości.

 

 Wybór rozwiązania

Wracamy teraz do pytania postawionego na wstępie:
Czy obie magistrale nadal będą powszechnie stosowane, a jeżeli tak, w jaki sposób będą współistnieć? Jedną z barier, które początkowo hamowały rozpowszechnienie Ethernetu w przemyśle, stanowiły koszty. Jednak w ciągu ostatnich kilku lat integracja kontrolera sieci Ethernetu z CPU, NVM, RAM i urządzeniami peryferyjnymi poważnie obniżyła cenę systemu.

 Obecnie integracja fizycznych łączy Ethernetu nie jest rozpowszechniona ze względu na zmieniające się wymagania. Cena tych interfejsów istotnie spadła wraz ze wzrostem ilości sprzedanych jednostek. Obniżenie bariery kosztów wraz z dostępnością protokołów takich jak BACnet i Ethernet/IP doprowadzi do rozszerzenia rynku procesorów sieciowych wspierających standard Ethernet.

CAN również będzie odnosił sukcesy. Stanie się tak z wielu powodów – wymaga on o dwie trzecie mniej układów scalonych niż Ethernet; pozwala na użycie słabszego procesora, zaś komunikujące się z nim urządzenia są tańsze.

 Wiele urządzeń, których cena musi być utrzymywana na niskim poziomie, takich jak zawory, po prostu nie potrzebuje dodatkowego pasma transmisyjnego lub połączenia z Internetem. CAN ma też wciąż istotną przewagę z punktu widzenia przetwarzania w czasie rzeczywistym i odporności na zakłócenia.

 Jak będzie wyglądało współistnienie magistral ? Nie ma wątpliwości, że wiele sieci nadal będzie stosowało magistrale CAN lub Ethernet, ale nie obie. Jeżeli jedna magistrala posiada wszystkie cechy wymagane przez sieć, nie ma powodów do zmian. Bardziej interesuj ący jest rozwójsieci hybrydowych, które pogodzą możliwości Ethernetu w dziedzinie połączeń i jego szerokie pasmo transmisyjne z niską ceną i deterministycznym sposobem działania CAN.

 W jaki sposób obie magistrale wpłyną na konstrukcję procesorów sieciowych? Małe i tanie sterowniki CAN z 8- i 16-bitowymi procesorami pozostaną podstawą prostych urządzeń sieciowych, w szczególności szeroko rozpowszechnionych. Bardziej zintegrowane procesory sieciowe zawierające sterownik Ethernetu mogą jednak niewielkim kosztem dołączyć interfejs CAN. Pozwoli to urządzeniu działać jako Ethernet, CAN albo mostek między dwiema magistralami. MCF5282 firmy Motorola jest takim właśnie urządzeniem (patrz diagram).