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安全區域（secure enclave），以及廣泛的生態(tài)系統，幫助開(kāi)發(fā)人員獲得簡(jiǎn)化的微控制器開(kāi)發(fā)體驗。
全球各地的制造商已經(jīng)在運用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)從根本上改善營(yíng)運、簡(jiǎn)化生產(chǎn)并優(yōu)化制造能力。制造商們并沒(méi)有拆除現有工廠(chǎng)，重建生產(chǎn)車(chē)間，而是添加部署了更高效的設備、更先進(jìn)的機器人和更快速的網(wǎng)絡(luò )。
而諸如PROFINET等傳統協(xié)議之間的通訊缺口，使這些新技術(shù)難以與現有系統協(xié)調工作。時(shí)間敏感型數據需要透過(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，同時(shí)還需要系統具備時(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、簡(jiǎn)化生產(chǎn)并優(yōu)化制造能力。

為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的工業(yè)應用需求，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)現現有工業(yè)系統和工業(yè)4.0平臺之間的融合。i.MX RT1180也是恩智浦首款帶有EdgeLock安全區域（secure enclave）的跨界MCU，EdgeLock安全區域是一個(gè)預先配置、自我管理式自主內建（autonomous on-die）的安全子系統，可簡(jiǎn)化針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造部署可靠的系統級安全的復雜性。
透過(guò)運用整合TSN交換器和安全區域的一體化MCU解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現各種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用要求，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)化系統實(shí)現實(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(zhù)的應用優(yōu)勢。數據可以透過(guò)交換器傳入或傳出，而實(shí)時(shí)數據傳輸可以在無(wú)延時(shí)的情況下中斷非實(shí)時(shí)數據傳輸。這些數據隊列由交換器驅動(dòng)程序管理，并與協(xié)議堆棧（protocol stack）連接，以實(shí)現最高效的數據傳輸。得益于此，應用軟件可以從管理交換器、設置低層緩存器或跟蹤復雜的時(shí)間管理過(guò)程的任務(wù)中解放出來(lái)，使時(shí)間敏感型應用能夠始終正常運行。
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)控制所有設備和整個(gè)工廠(chǎng)，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(chǎng)自動(dòng)化、緊湊型運動(dòng)控制、電機控制工業(yè)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )終端設備、交流/伺服驅動(dòng)器、遠程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規范的最新TSN標準，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)設計中的配套芯片，無(wú)需板載PHY，即可在主機設備和配套設備之間提供無(wú)縫的1 Gb直接通訊，進(jìn)而省下額外的電源并節約成本。

為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)保駕護航
雖然智慧工廠(chǎng)帶來(lái)的好處毋庸置疑，如提高生產(chǎn)和調運效率并節省成本，但工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)也帶來(lái)了新的安全風(fēng)險。隨著(zhù)工廠(chǎng)聯(lián)網(wǎng)設備數量的激增，潛在的網(wǎng)絡(luò )安全威脅也在增加。工業(yè)流程、營(yíng)運和網(wǎng)絡(luò )保護不足，易受攻擊，如盜用公司數據和知識產(chǎn)權、干擾或阻礙流程控制、網(wǎng)絡(luò )安全漏洞以及對關(guān)鍵基礎建設和供應鏈的大面積攻擊。
為了?明工廠(chǎng)、設備和網(wǎng)絡(luò )抵御數字攻擊，制造商必須采用并不斷維護先進(jìn)、全面的工業(yè)安全平臺。從設備端和系統級保護提升安全性，對確保當今智慧互聯(lián)工廠(chǎng)的安全至關(guān)重要。即使是MCU等系統級組件也必須提供高級安全功能。EdgeLock安全區域是完全整合的芯片上（on-die）安全子系統，正好滿(mǎn)足要求。
EdgeLock安全區域的功能可以看作i.MX RT1180跨界MCU中的「安全總部」，監督所有安全功能，保護設備免受物理和網(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)應用實(shí)現強大的裝置范圍安全智能的復雜性。
EdgeLock安全區域還為IEC 62443系統合規性奠定了組件級基礎。IEC 62443是一套安全標準，定義了工業(yè)自動(dòng)化和控制系統（IACS）的安全開(kāi)發(fā)。這些標準為應對工業(yè)廠(chǎng)房、設備、網(wǎng)絡(luò )和基礎設施的網(wǎng)絡(luò )安全威脅要求提供了必要的基礎。IEC 62443合規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)運場(chǎng)所對營(yíng)運技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )安全需求。

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

 
圖2 : i.MX RT1180架構圖

i.MX RT1180片內整合了電源管理IC（PMIC），專(zhuān)為實(shí)現高能效而設計，適合設計功耗為250mW及以上的應用場(chǎng)景，有助于對許多工業(yè)應用至關(guān)重要的卓越能效，同時(shí)還可降低電路板的復雜性和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，可在穩健的擴展溫度范圍（-40℃至+125℃）下運行，為全年全天候運行的工廠(chǎng)設備提供工業(yè)認證和高可靠性，廣泛的開(kāi)發(fā)人員生態(tài)體系簡(jiǎn)化基于i.MX RT1180 SoC搭建系統的嵌入式設計體驗。MCUXpresso軟件和工具套件包括設備配置工具、驅動(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A(yíng)rm Cortex-M技術(shù)的恩智浦MCU。
i.MX RT1180跨界MCU為智能工廠(chǎng)搭建了通往未來(lái)的橋梁，采用整合的TSN交換器消弭傳統協(xié)議標準和當前協(xié)議標準之間的缺口。
（本文作者Christian Castel為恩智浦半導體邊緣處理業(yè)務(wù)工業(yè)自動(dòng)化營(yíng)銷(xiāo)全球負責人）