産業用イーサネットに対応する柔軟性の高いソリューション

ホワ イ ト ペーパー
産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
こ のホ ワ イ ト ペーパーでは、 FPGA デバ イ ス を使用 し て、 1 つのプ リ ン ト 回路基板実装でマルチ ・ ス タ ン ダー
ド の産業用 イ ーサネ ッ ト 機能を提供す る 方法を説明 し ます。 まず FPGA 実装の利点について説明 し 、 次に汎用
なが ら 維持 し やすい ソ リ ュ ーシ ョ ンの作成に使用 さ れ る FPGA 開発フ ロ ー、 ツールお よ びテ ク ノ ロ ジーの概要
について述べます。
は じ めに
1970 年代半ばの Xerox 社に よ る 考案、 お よ び 1983 年の IEEE 802.3 と し ての標準化以来、 イ ーサネ ッ ト はビ ジ
ネ ス世界におけ る コ ン ピ ュ ー タ 通信の事実上の標準にな り ま し た。 イ ーサネ ッ ト ・ ネ ッ ト ワ ー ク は、 3 Mbps の
性能を持つ同軸ケーブル ・ ベース のシ ス テ ムか ら 、 シール ド な し ツ イ ス ト ・ ペア （Cat5 UTP） ケーブルで構築
さ れ る 高信頼性、 低 コ ス ト 、 100 Mbps 性能のシ ス テ ムに進化 し ま し た。 市場にはすでに 1 Gbps イ ーサネ ッ ト
能力を備え たデバ イ ス が出回 り 、 さ ら に 10 Gbps も 視野に入っ てお り 、 イ ーサネ ッ ト の絶え間ない進化 （表 1
を参照） は、 将来に渡っ て市場の要求に応え てい く で し ょ う 。
表 1. イ ーサネ ッ ト 規格の進化
日付
規格
1983
IEEE 802.3
概要
1985
IEEE 802.3a
10Base2 Thin Ethernet 規格
1990
IEEE 802.3i
10Base-T 10 Mbps イ ーサネ ッ ト 規格
1995
IEEE 802.3u
100Base-TX/T4/FX 100 Mbps （Fast Ethernet）
1997
IEEE 802.3x
全二重イ ーサネ ッ ト 規格
1998
IEEE 802.3y
UTP を使用する 100Base-T2 Fast Ethernet 規格
1999
IEEE 802.3ab
1000Base-T 1 Gbps
2003
IEEE 802.3af
Power over Ethernet
2006
IEEE 802.3an
10GBase-T 10 Gbps
基本イ ーサネ ッ ト 規格
イ ーサネ ッ ト の多様性、 適用性、 お よ び実装の容易性 と 、 フ ァ ク ト リ ・ シ ス テ ム を企業ネ ッ ト ワ ー ク と 統合す
る 必要性に後押 し さ れて、 産業用機器の開発者は、 産業用フ ィ ール ド バ ス通信 ソ リ ュ ーシ ョ ン と 互換性のあ
る 、 ま たは こ れを置 き 換え る イ ーサネ ッ ト ・ ベース の産業用ネ ッ ト ワ ーキ ン グ ・ ソ リ ュ ーシ ョ ンの作成に着手
し ま し た。 今日では イ ーサネ ッ ト ・ ベース の産業用通信プ ロ ト コ ルが多数あ り 、 それぞれに長所 と 短所があ り
ます。 こ れ ら のプ ロ ト コ ルのい く つかは、 標準化ま たは 「オープン」 にな っ てい る ため、 ど の開発者で も プ ロ
ト コ ルを実装で き ます。 当然の こ と なが ら 、 オープン ・ プ ロ ト コ ルは人気が高 く 、 業界全体に広 く 普及す る 傾
向にあ り ます。
一部の ソ リ ューシ ョ ンは、 フ ィ ール ド バスやアプ リ ケーシ ョ ン ・ データ を標準の イ ーサネ ッ ト ・ パケ ッ ト に
パ ッ ケージする のみであ り 、 標準の イ ーサネ ッ ト 実装以上の も のは不要です （ただ し 、 タ イ ミ ン グ管理が存在
し ないため、 リ アル タ イ ム性能は高 く あ り ません）。 し か し 、 多 く の産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルは追加の
カ ス タ ム ・ ソ フ ト ウ ェ ア を必要 と し 、 さ ら に高性能プ ロ ト コ ルの大半はカ ス タ ム ・ ハー ド ウ ェ ア も 必要 と し ま
す。 そのため、 複数のプ ロ ト コ ルをサポー ト する ソ リ ューシ ョ ンの開発お よ び維持が困難にな っ てい ます。
プ ロ ト コ ルは数が多いだけでな く 、 基本 と な る イ ーサネ ッ ト 規格の変化 と テ ク ノ ロ ジーの向上を活用 し なが
ら 、 絶えず進化 し 続けてい ます。 こ れに対応す る ために、 産業用機器の製造業者は、 で き る だけ多 く の産業用
イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルを効率的にサポー ト す る 方法を見つけ出 し て、 プ ロ ト コ ルの変化に迅速に適応 し 、
新 し いプ ロ ト コ ルを サポー ト し て、 他の改善 さ れたシ ス テ ム を取 り 込む こ と がで き なければな り ません。
ユニバーサル産業用イ ーサネ ッ ト ・ ソ リ ュ ーシ ョ ンの実装
多数のプ ロ ト コ ルを サポー ト す る ソ リ ュ ーシ ョ ンの設計が可能です。 必要なのは、 各プ ロ ト コ ルに 1 つずつ、
一連のプ ラ グ イ ン ・ ボー ド を作成す る こ と のみです。 し か し 、 市場にあ る 規格の数 と 、 その絶え間ない進化を
考慮す る と 、 新 し い機能や追加プ ロ ト コ ルを適時にサポー ト し なが ら 、 ソ リ ュ ーシ ョ ン を効率的に作成す る に
WP-01037-2.0
2009 年 7 月 , ver. 2.0
1
産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
Altera Corporation
は ど う すれば よ いで し ょ う か。 標準 イ ーサネ ッ ト ・ ハー ド ウ ェ ア を使用す る 場合、 選択 し たプ ロ セ ッ サ ・ デバ
イ ス で実行す る よ う に、 プ ロ ト コ ル ・ ソ フ ト ウ ェ ア を開発す る か移植す る 必要があ り ます。 こ れには どれほ ど
の時間がかか る で し ょ う か。 ま た、 CPU にはアプ リ ケーシ ョ ン と プ ロ ト コ ルを実行す る のに十分な処理能力が
あ る で し ょ う か。
新 し い産業用 イ ーサネ ッ ト ASIC/ASSP デバ イ ス が要求 さ れ る 場合は、 回路基板の開発が必要 と な り 、 新 し い
ハー ド ウ ェ アの作成に関連す る 様々な コ ス ト と 遅れが発生 し ます。 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルを ア ッ プグ レー
ド す る と き には、 新 し い ASIC/ASSP デバ イ ス が開発 さ れ る ため、 レ ガシー ・ バージ ョ ン と 新バージ ョ ンの両
方のプ ロ ト コ ルをサポー ト す る ために、 複数のバージ ョ ンのボー ド が必要な場合があ り ます。 ASIC/ASSP デバ
イ スへの依存は、 供給面の問題を生 じ る こ と があ り 、 プ ロ ト コ ルの急速な変化に よ っ てデバ イ ス陳腐化す る 可
能性 も あ り ます。 こ の種の ソ リ ュ ーシ ョ ンは、 費用がか さ み、 サポー ト が難 し く 、 新機能の提供には時間がか
か る と 予想 さ れます。
し か し 、 こ れ ら の問題は FPGA デバ イ ス を使用 し て産業用 イ ーサネ ッ ト ・ イ ン タ フ ェース を実装すれば、 すべ
て解決で き ます ( 図 1 を参照 )。 FPGA の主要な利点の 1 つは、 ど んな時で も 、 回路基板を 1 枚作成 し 、 ハー ド
ウ ェ ア を プ ロ グ ラ ミ ン グ し 、 簡単に再 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン を行っ て、 産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ル と
連動で き る こ と です。 別のプ ロ ト コ ルが必要な場合や、 顧客が注文を変更 し た場合は、 た と え製品出荷の直
前、 あ る いはフ ィ ール ド において さ え、 ほんの数秒で必要な コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ・ フ ァ イ ルを FPGA に再
プ ロ グ ラ ムす る こ と がで き ます。 こ の種のマルチ ・ ス タ ン ダー ド ・ ソ リ ュ ーシ ョ ンは、 開発 コ ス ト を大幅に削
減 し 、 在庫お よ びサプ ラ イ ・ チ ェ ーンの問題を最小限に抑え ます。 FPGA デバ イ ス の新 し い コ ン フ ィ ギ ュ レー
シ ョ ン ・ フ ァ イ ルを作成す る ために、 新 し い ソ フ ト ウ ェ ア ま たはハー ド ウ ェ アの開発が必要にな る こ と があ り
ますが、 アルテ ラ の開発ツールやアルテ ラ のパー ト ナが供給す る 標準 IP （Intellectual Property） を利用すれば、
通常は数週間以下の期間で簡単に行 う こ と がで き ます。
図 1. 汎用 FPGA ベース、 2 チ ャ ネル産業用イ ーサネ ッ ト ・ シス テム
®
Cyclone
Cyclone III
III Series
SeriesFPGA
FPGA
Optional
Optional
CPU
CPU
Nios®IIII
Nios
Processor
Processor
++
Ethernet
Ethernet
Stack
Stack
MAC
MAC
PHY
PHY
MAC
MAC
PHY
PHY
FPGA デバ イ スは、 イ ーサネ ッ ト ・ ト ラ ン シーバ （PHY と 呼ばれます） と 組み合わせる と 、 イ ーサネ ッ ト ・ イ
ン タ フ ェース で要求 さ れ る機能をすべて実行で き ます。 レ イ ヤ 1 の物理 イ ン タ フ ェースは PHY と ボー ド ・ エ レ
ク ト ロ ニ ク ス に よ り 対応 し 、 レ イ ヤ 2 メ デ ィ ア ・ ア ク セ ス ・ コ ン ト ロ ー ラ （MAC） ハー ド ウ ェ ア機能は、 ロ
ジ ッ ク と し て FPGA デバ イ ス に コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れます。 よ り 高レベルの レ イ ヤ 3 以上の機能は、
FPGA ロ ジ ッ ク に組み込まれたプ ロ セ ッ サ ・ コ アに よ り 実行 さ れる ソ フ ト ウ ェ ア と し て実装 さ れます。 FPGA ロ
ジ ッ ク のプ ロ グ ラ マ ビ リ テ ィ 、 I/O ピ ンのマルチ ・ ス タ ン ダー ド ・ サポー ト 、 お よ び広範な標準 イ ン タ フ ェー
ス IP の利用に よ り 、 既存のアプ リ ケーシ ョ ン ・ プ ロ セ ッ サ と FPGA と の間に、 通信チ ャ ネル も 簡単に実装で き
ます。 通常、 プ ロ セ ッ サ ・ デバ イ ス の既存の イ ン タ フ ェース （I2C、 SPI、 ま たはその他の ロ ーカル ・ パ ラ レル ・
バス） あ る いはシ ス テ ム （PCI、 PCI Express、 CANopen な ど） を使用 し て、 FPGA と 通信す る こ と がで き ます。
こ の手法には、 計算時間が短 く 、 既存のプ ロ セ ッ サ上で動作 し てい る アプ リ ケーシ ョ ン ・ ソ フ ト ウ ェ アの変更
が最小ですむ と い う 利点 も あ り ます。 こ れに よ っ てシ ス テ ム ・ ソ フ ト ウ ェ アの状態が保持 さ れた上で、 高性能
の産業用 イ ーサネ ッ ト ・ ス タ ッ ク 処理を実装する ための追加処理 リ ソ ース を作る こ と がで き ます。
FPGA ハー ド ウ ェ アは再 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが可能なため、 2 個以上の ソ フ ト ・ マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ ・ コ
ア を含む一つのシ ス テ ム を生成す る こ と に よ り 、 アプ リ ケーシ ョ ン ・ プ ロ セ ッ シ ン グ を FPGA デバ イ ス内に統
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産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
合で き ます。 こ の種のシ ス テ ム統合の利点 と し ては、 コ ン ポーネ ン ト 数、 コ ス ト 、 お よ び消費電力の削減が挙
げ ら れます。 さ ら に、 FPGA デバ イ ス の長い製品寿命 と 新世代へ容易に移行で き る 能力に よ り 、 IP を使用 し た
シ ス テ ム設計の陳腐化を防ぐ こ と がで き ます。 FPGA は ま た、 膨大な計算を必要 と す る 機能を、 ソ フ ト ウ ェ ア
ではな く FPGA ハー ド ウ ェ ア内に実装す る こ と で、 シ ス テ ム性能の高速化 と 、 よ り 効率的な実装を行い、 性能
の向上、 ク ロ ッ ク 速度の低減、 消費電力の低減を可能に し ます。 産業用 イ ーサネ ッ ト の場合、 FPGA ハー ド
ウ ェ ア ・ デザ イ ンには、 イ ーサネ ッ ト 通信を高速化す る ハブ、 ス イ ッ チ、 ま たは類似す る ハー ド ウ ェ ア を追加
し た り 、 リ ン グの冗長性等の特殊機能を実装す る こ と も 可能です。
FPGA では、 FPGA ロ ジ ッ ク に実装 さ れたプ ロ セ ッ サあ る いはハー ド ウ ェ アにアプ リ ケーシ ョ ン ・ タ ス ク を分
担 さ せ る だけでな く 、 FPGA デバ イ ス の柔軟性に よ っ て も 、 単純な通信 イ ン タ フ ェ ース （UART、 パ ラ レル
I/O、 PWM な ど）、 新 し い メ モ リ 規格のサポー ト な ど の複雑な機能 （DDR2/DDR3 な ど）、 さ ら には最新の通信
テ ク ノ ロ ジー （Bluetooth、 Gigabit Ethernet、 PCI Express な ど） を含む新 し い イ ン タ フ ェ ース を シ ス テ ムに実装
す る こ と がで き ます。
FPGA ベースのハー ド ウ ェ ア ・ デザイ ンの構築
プ ロ セ ッ サお よ び イ ーサネ ッ ト MAC ハー ド ウ ェ ア ・ デザ イ ンの作成 と い う と 難 し く 聞 こ え る か も し れません
が、 SOPC Builder と 呼ばれ る ツール と 、 構築済みのプ ロ セ ッ サお よ び イ ーサネ ッ ト MAC IP コ ン ポーネ ン ト が
利用で き る ため、 実際は比較的簡単な作業です。 図 2 に示す よ う に、 SOPC Builder はアルテ ラ の Quartus® II
開発 ソ フ ト ウ ェ アに統合 さ れてお り 、 IP ベース の SOPC （system-on-a-programmable-chip） デザ イ ン を簡単に
作成で き る よ う 、 サポー ト す る 目的で設計 さ れた も のです。 開発者は HDL を コ ーデ ィ ン グす る のではな く 、
グ ラ フ ィ カル ・ ユーザ ・ イ ン タ フ ェ ース （GUI） を使用 し てシ ス テ ム を設計 し ます。 SOPC Builder は、 IP ベー
ス ・ シ ス テ ムの コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 統合、 お よ び生成を高速化 し 自動化 し ます。
図 2. エ ンベデ ッ ド 開発フ ロー
Hardware
Configure and
Integrate
Hardware
Configuration
System
Information
Software
FPGA
Compile and Debug
ツールの GUI の ス ク リ ーン ・ シ ョ ッ ト （図 3） には、 左側の ウ ィ ン ド ウ に利用可能な IP の リ ス ト が表示 さ れ
てい ます。 現在のシ ス テ ムに IP コ ン ポーネ ン ト を追加す る 場合、 設計者が行 う 操作は、 必要な IP モジ ュ ール
を ダブル ク リ ッ ク す る だけです。
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図 3. SOPC Builder ツールのス ク リ ーン ・ シ ョ ッ ト
IP モジ ュ ールを選択す る と 、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ・ ウ ィ ザー ド が表示 さ れ、 適切なオプシ ョ ン を選択で き
ます （図 3 の右側）。 選択を完了す る と 、 構築済みの IP コ ン ポーネ ン ト が、 右側の ウ ィ ン ド ウ の、 現在のシ ス
テ ム ・ デザ イ ン内に表示 さ れます。 コ ン ポーネ ン ト のベース ・ ア ド レ ス ま たは割 り 込みレベルは変更可能であ
り 、 シ ス テ ムの イ ン タ コ ネ ク ト ・ アーキ テ ク チ ャ を GUI で修正す る と 、 IP コ ン ポーネ ン ト 間の接続が変更 さ
れます。 こ のプ ロ セ ス （図 4 に示 し てい ます） を使用すれば、 モジ ュ ラ ー ・ シ ス テ ム ま たは高度に最適化 さ れ
た シ ス テ ム を迅速に設計で き ます。 デザ イ ン ・ エ ラ ーは下部の ウ ィ ン ド ウ で通知 さ れ る ため、 設計者はア ド レ
ス競合や不正な コ ン ポーネ ン ト 接続の問題を容易に特定 し て修正で き ます。
図 4. SOPC Builder で、 ハー ド ウ ェ ア IP を使用 し て産業用イ ーサネ ッ ト 対応シス テムを作成
Select
Configure
Connect
シ ス テ ム ・ デザ イ ンが完了 し た ら 、 「generate」 ボ タ ン を ク リ ッ ク す る と 、 実際のシ ス テ ムの構築に必要なすべ
ての HDL が生成 さ れます。 IP はベン ダに よ っ て事前に構築お よ びテ ス ト さ れてお り 、 シ ス テ ム ・ イ ン タ コ ネ
ク ト は コ ン ピ ュ ー タ で生成 さ れます。 そのため、 デザ イ ンは正 し く 作成 さ れ、 最小の操作で実装す る こ と がで
き ます。 シ ス テ ムが生成 さ れ る と 、 Quartus II 回路図エデ ィ タ でデザ イ ン ・ ブ ロ ッ ク と し て表示 さ れます。 次
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産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
に、 ハー ド ウ ェ ア合成機能 （ほ と ん ど の SOPC Builder 生成シ ス テ ムでは、 1 回のボ タ ン操作ですみます） を使
用 し て、 FPGA デバ イ ス にダ ウ ン ロ ー ド 可能な コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ・ フ ァ イ ルを作成 し ます。
その後、 デザ イ ンの新規作成や修正が必要にな っ た と き は、 SOPC Builder ツールを開 き 、 GUI を使用 し てデザ
イ ン を変更 し 、 シ ス テ ム を再生成 し て、 Quartus II 開発 ソ フ ト ウ ェ アでそれを再合成 し て別の コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ン ・ フ ァ イ ルを作成 し ます。 つま り 、 新 し い産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルのハー ド ウ ェ ア ・ デザ
イ ンは、 必要なハー ド ウ ェ ア IP を購入 し て、 それを既存のシ ス テ ム ・ デザ イ ンに ド ロ ッ プ し て再生成す る だ
けで作成で き ます。 1 回 ク リ ッ ク し て再合成すれば、 短時間でハー ド ウ ェ アの準備が完了 し ます。
Nios II プ ロ セ ッ サでのソ フ ト ウ ェ ア ・ プ ロ ト コ ルの実行
イ ーサネ ッ ト ・ サポー ト を含むエ ンベデ ッ ド ・ シ ス テ ムでは、 プ ロ セ ッ サが上位層機能 (TCP、 UDP な ど ) を
提供 し ます。 アルテ ラ の ロ イ ヤ リ テ ィ ・ フ リ ーの 32 ビ ッ ト RISC Nios® II エンベデ ッ ド ・ プ ロ セ ッ サには 3 種
類のバ イ ナ リ 互換 タ イ プがあ り 、 アルテ ラ の Cyclone® III と Stratix® IV FPGA でそれぞれサ イ ズ と 性能を異な
る 比率で最適化 し てい ます （表 2）。 Nios II/f プ ロ セ ッ サは高性能、 Nios II/e は最小サ イ ズ、 Nios II/s はサ イ ズ
と 性能のバ ラ ン ス が取れた製品です。 Nios II プ ロ セ ッ サは SOPC Builder の IP コ ン ポーネ ン ト と し て提供 さ れ
る ため、 イ ーサネ ッ ト MAC IP、 お よ びその他の広範囲なペ リ フ ェ ラ ル ・ コ ン ポーネ ン ト 、 さ ら には複数の
Nios II プ ロ セ ッ サを含む、 プ ロ セ ッ サ ・ ベース のシ ス テ ム を容易に作成で き ます。 SOPC Builder の GUI を使用
すれば、 設計者の要求を正確に満たす Nios II プ ロ セ ッ サ ・ シ ス テ ム を簡単かつ迅速に構築す る こ と がで き 、 ま
た アプ リ ケーシ ョ ン ご と に異な る バージ ョ ン を作成す る こ と も で き ます。
表 2. Nios II プ ロ セ ッ サのク ロ ッ ク速度、 性能、 およびロ ジ ッ ク消費量
プロセ ッサ
Cyclone III FPGA
ク ロ ッ ク速度 （MHz）
DMIPS
LE 数
Stratix IV FPGA
ク ロ ッ ク速度 （MHz）
DMIPS
ALUT 数
Nios II /f
175
195
1,800
290
340
1,020
Nios II /s
145
90
1,300
250
150
850
Nios II /e
215
30
650
340
48
520
SOPC Builder で組み込まれた Nios II プ ロ セ ッ サは、 Quartus II 開発 ソ フ ト ウ ェ アに含まれ る フ リ ー IP と も 互換
性があ り ます。 こ の IP には、 標準のプ ロ セ ッ サ ・ ペ リ フ ェ ラ ル機能 （UART、 PIO、 メ モ リ ・ コ ン ト ロ ー ラ な
ど） 用のモジ ュ ール、 お よ びアルテ ラ と パー ト ナが提供す る 、 よ り 広範にわた り 追加 さ れた評価版の IP コ ン
ポーネ ン ト （ イ ーサネ ッ ト MAC、 CAN、 USB、 PCI、 PCI Express、 FFT、 FIR、 DSP、 ビデオ処理 コ ア な ど ） が
含まれます。 必要な場合は、 こ れ ら の コ ン ポーネ ン ト は使いやすい Nios II ソ フ ト ウ ェ ア開発環境に よ っ て ソ フ
ト ウ ェ ア ・ ビル ド ・ シ ス テ ムに自動的に統合 さ れ る Nios II ド ラ イ バ と と も に供給 さ れます。 こ の環境は C 言
語お よ びアセ ンブ ラ での開発をサポー ト し 、 Eclipse や GNU をベース に し てい る ため、 多 く の開発者に と っ て
親 し みやすい も のです。
産業用イ ーサネ ッ ト ・ ハー ド ウ ェ ア IP および ソ フ ト ウ ェ ア IP
現在の と こ ろ、 表 3 に示す よ う な、 主要な産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルに対応す る IP パ ッ ケージが市販 さ
れてい ます。 ハー ド ウ ェ ア IP は通常、 MAC や追加 ロ ジ ッ ク を含む SOPC Builder コ ン ポーネ ン ト と し てパ ッ
ケージ化 さ れてい ます。 ソ フ ト ウ ェ ア IP は、 Nios II プ ロ セ ッ サ向けに C 言語で記述 さ れた ラ イ ブ ラ リ ま たは
ソ フ ト ウ ェ ア API と し て供給 さ れます。 一部のベン ダは構築済みの FPGA コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンお よ びボー
ド ・ デザ イ ン を販売 し てお り 、 設計者は FPGA デバ イ ス を標準 ASIC/ASSP コ ン ポーネ ン ト と 同様に、 簡単に
利用す る こ と がで き ます。 既存の製品に直接ア ド オ ンす る ために、 既製の、 テ ス ト 済みのモジ ュ ールを購入す
る こ と も で き 、 実装す る ための回路基板を設計 し た り 、 適合す る コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ・ フ ァ イ ルを作成せ
ずに、 FPGA のプ ロ グ ラ マ ビ リ テ ィ を効果的に付加 し た り で き ます。
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産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
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表 3. 産業用イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルの FPGA IP ベン ダ
プロ ト コル
ベンダ (1)
概算サイ クル時間
Modbus TCP
IXXAT
200 ms ～ 10 ms+
EtherNet/IP
IXXAT
Softing
200 ms ～ 10 ms+
PROFINET RT
IXXAT
Softing
10 ms ～ 1 ms+
PROFINET IRT
ZHAW (Zürcher Hochschule für
Angewandte Wissenschaften)
<1 ms 未満
ETHERNET Powerlink
IXXAT
<1 ms 未満
SERCOS International
Automata GmbH
<1 ms 未満
Sigmatek GmbH
<1 ms 未満
EtherCAT
Beckhoff ( ハー ド ウ ェ ア IP)
Softing ( ソ フ ト ウ ェ ア IP)
IXXAT ( ソ フ ト ウ ェ ア IP)
<1 ms 未満
IEEE 1588
IXXAT
MoreThanIP
-
SERCOS III
VARAN
注:
(1)
製品は変更 さ れ る こ と があ る ため、 供給状況についてはベン ダに確認 し て く だ さ い。
IEEE 1588 は イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ル規格ではあ り ませんが、 その IP は産業用 イ ーサネ ッ ト と し ば し ば関連
性を持っ てい ます。 そのため、 表 3 には、 こ の IP のベン ダ を含めてい ます。 FPGA デバ イ ス は と て も フ レ キ シ
ブルであ り 、 多 く の イ ン タ フ ェ ース ・ プ ロ ト コ ル と 規格をサポー ト で き ます。 例えば、 Profibus、 CAN、
DeviceNet、 Interbus-S、 Modbus、 お よ びフ ィ ール ド バス協会等の産業用フ ィ ール ド バ ス の IP は、 すでに FPGA
に実装す る こ と がで き ます。 FPGA の柔軟性 と 費用対効果の向上に よ り 、 サポー ト す る 産業用規格の数は増え
続けてい ます。
FPGA デバイ ス ・ フ ァ ミ リ の概要
低 コ ス ト Cyclone III FPGA は、 低 コ ス ト 、 低消費電力の量産アプ リ ケーシ ョ ン向けに設計 さ れ、 イ ン ダ ス ト リ
アル温度グ レー ド で も 提供可能なため、 産業用 イ ーサネ ッ ト ・ アプ リ ケーシ ョ ンに最適なデバ イ ス です。 こ の
フ ァ ミ リ は、 5,000 ～ 120,000 個の LE と 82 ～ 531 本のユーザ I/O ピ ン を備えた 8 つのデバ イ ス で構成 さ れ、
8 種類のデバ イ ス ・ パ ッ ケージで提供 さ れます。 ま た、 Cyclone III FPGA は、 最大 4 M ビ ッ ト のエ ンベデ ッ ド ・
メ モ リ 、 288 個のエ ンベデ ッ ド 18 x 18 ビ ッ ト ・ マルチプ ラ イ ヤ、 専用の外部 メ モ リ ・ イ ン タ フ ェ ース回路、
PLL （Phase-Locked Loop）、 お よ び高速差動 I/O 機能 も 備え てい ます。 5,136 個の LE を搭載 し てい る ため、 最
小の Cyclone III デバ イ ス （EP3C5E144C8） で さ え、 Nios II プ ロ セ ッ サを い く つかの追加 IP コ ン ポーネ ン ト と
と も に容易に組み込んで、 基本的な イ ーサネ ッ ト 接続を サポー ト す る こ と がで き ます。 発売以来、 こ の フ ァ ミ
リ は、 Cyclone III LS FPGA に よ り 拡張 さ れてお り 、 デバ イ ス のセキ ュ リ テ ィ と 、 機能的冗長性の拡張が さ ら に
求め ら れ る アプ リ ケーシ ョ ン を タ ーゲ ッ ト と す る 、 よ り 大規模、 低消費電力のデバ イ ス です。
産業用 イ ーサネ ッ ト ・ アプ リ ケーシ ョ ンに使用で き る 他のアルテ ラ 製品には、 Stratix IV 高性能 FPGA フ ァ ミ
リ 、 ピ ン互換の HardCopy® ASIC フ ァ ミ リ 、 高速 ト ラ ン シーバお よ び PCI Express コ ア を搭載 し た Arria® GX
FPGA フ ァ ミ リ な ど があ り ます。
使用法
大部分のプ ロ ジ ェ ク ト と 同様に、 こ のプ ロ ジ ェ ク ト を開始す る 最 も 簡単な方法は、 アプ リ ケーシ ョ ン を タ ー
ゲ ッ ト と す る 開発キ ッ ト を購入す る こ と です。 アルテ ラ は、 IXXAT 社、 Softing 社、 Beckhoff 社、 Automata 社、
お よ び ZHAW 等のネ ッ ト ワ ー ク ・ ソ リ ュ ーシ ョ ン ・ プ ロ バ イ ダ と 提携 し てお り 、 Cyclone III FPGA ベース の ソ
リ ュ ーシ ョ ンに よ り 、 産業用 イ ーサネ ッ ト を幅広 く サポー ト し てい ます。 図 5 に、 重要な業界パー ト ナ、 お よ
び各パー ト ナがサポー ト し てい る 産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ル規格を示 し ます。
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Altera Corporation
産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
図 5. 産業用イ ーサネ ッ ト ・ ソ リ ュ ーシ ョ ン
Softing 社は、 同一の Cyclone III FPGA プ ラ ッ ト フ ォーム上で、 EtherCAT、 PROFINET、 Ethernet/IP、 お よ び
Modbus/TCP を タ ーゲ ッ ト に し た、 リ アル タ イ ム ・ イ ーサネ ッ ト ・ モジ ュール (RTEM) を提供 し てい ます。 こ
のモジ ュ ールは、 「その ま ま」 で、 既存製品の変更を最小限に抑え なが ら 製品に直接統合 さ れ、 デ ュ アル ・
ポー ト RAM、 シ リ アル I/O、 パ ラ レル I/O、 ま たはその他の独自 イ ン タ フ ェ ース を通 じ て メ イ ン ・ ボー ド と 通
信 し ます。 アルテ ラ の FPGA が メ イ ン回路基板内にデザ イ ン さ れたシ ス テ ムのために、 Softing 社では、 IP コ
ア、 プ ロ ト コ ル ・ ス タ ッ ク ・ ソ フ ト ウ ェ ア、 アプ リ ケーシ ョ ン ・ イ ン タ フ ェース の ラ イ セ ン ス供与を行い、 必
要 と な る 付加的なデザ イ ン ・ サービ ス を提供 し てい ます。
IXXAT 社は、 産業用 イ ーサネ ッ ト ・ モジ ュール (IEM) に よ り 、 イ ーサネ ッ ト Powerlink、 EtherNet/IP、 EtherCAT、
および Modbus TCP をサポー ト し ています。 IEM は容易に製品 と 統合で き、 迅速で簡単に、 ド ロ ッ プ イ ン式の産
業用 イ ーサネ ッ ト ・ ソ リ ューシ ョ ン を提供 し ます。 IXXAT 社 は、 わずかな料金で、 IEM を製品に素早 く 統合す
る ハー ド ウ ェ アのサービ ス と ソ リ ューシ ョ ン を提供 し てお り 、 必要な産業用 イ ーサネ ッ ト 規格をサポー ト する
こ と がで き ます。 ま た、 IXXAT 社 は、 自 ら FPGA ボー ド の開発を希望する開発者に、 IP コ ア、 プ ロ ト コ ル ・ ス
タ ッ ク ・ ソ フ ト ウ ェ ア、 およ びアプ リ ケーシ ョ ン ・ イ ン タ フ ェース の ラ イ セン ス供与を行っ ています。
Arrow Electronics 社は、 MotionFire ( モー タ ー ・ コ ン ト ロ ール ) 開発キ ッ ト に よ り 、 モー タ ー ・ コ ン ト ロ ール と
産業用 イ ーサネ ッ ト ・ アプ リ ケーシ ョ ンの両方を、 同一の基板上で評価、 開発で き る 汎用グ ロ ーバル ・ プ ラ ッ
ト フ ォーム を提供 し てい ます。 こ のキ ッ ト は、 Cyclone III FPGA ベース の FireFighter ボー ド と 、 2 つの BLDC
モー タ ーを ド ラ イ ブす る FireDriver パ ワ ー ・ ボー ド か ら 構成 さ れます (FireDriver ボー ド は 6 枚ま で拡張可能 )。
MotionFire は、 Unjo AB 社のオープン ソ ース のモー タ ー ・ コ ン ト ロ ール IP と 、 Softing 社の産業用 イ ーサネ ッ ト
の IP を使用 し て、 種々の産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルを使用 し たモー タ ー ・ コ ン ト ロ ール ・ アプ リ ケー
シ ョ ン を評価す る 手段を提供 し ます。 他のベン ダの イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルやモー タ ー ・ コ ン ト ロ ール IP
も 、 こ のプ ラ ッ ト フ ォームに移植で き ます。
デザ イ ンに必要 と さ れ る のが EtherCAT 産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルのみの場合は、 EtherCAT 仕様、 ス
レーブ IP ラ イ セ ン ス、 お よ び ソ フ ト ウ ェ ア ・ ラ イ セ ン ス を EtherCAT Technology Group (ETG) か ら 取得す る こ
と がで き ます。 あ る いは、 IXXAT 社 や Softing 社 等のシ ス テ ム ・ イ ン テ グ レー タ に よ り 、 デザ イ ンに合わせた
EtherCAT ソ リ ュ ーシ ョ ン を実装す る こ と も で き ます。 ま た、 ETG は、 アルテ ラ の Cyclone III FPGA に実装す
る EtherCAT の評価お よ びプ ロ ト タ イ プ制作に使用で き る 評価キ ッ ト を販売 し てい ます。
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産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
Altera Corporation
SERCOS I/II ネ ッ ト ワ ー ク 規格は長年の経験を持っ てい ますが、 イ ーサネ ッ ト ・ ベース の も のは、 最新バー
ジ ョ ンの SERCOS III のみです。 SERCOS III は、 イ ーサネ ッ ト 上でモーシ ョ ン ・ コ ン ト ロ ー ラ 、 デジ タ ル ・
サーボ ・ ド ラ イ バ、 お よ び I/O デバ イ ス間において、 時間確定性 リ アル タ イ ム、 高性能通信 イ ン タ フ ェ ース に
よ り 、 SERCOS I/II の機能を ア ッ プグ レー ド し てい ます。 デザ イ ンに必要 と さ れ る のが SERCOS III プ ロ ト コ ル
のみの場合は、 Automata 社の PCI、 Cyclone III FPGA ベース のボー ド 、 お よ びデザ イ ン ・ サービ ス が利用で き
ます。
EBV 社の MercuryCode (DB3C40) 開発キ ッ ト ( 欧州のみ ) は、 プ ロ ト コ ルに依存 し ない産業用 イ ーサネ ッ ト ・
シ ス テ ム を実装す る ための、 も う ひ と つの総合的 ソ リ ュ ーシ ョ ンです。 こ のボー ド には 2 個の RJ-45 イ ーサ
ネ ッ ト ・ ソ ケ ッ ト があ り 、 それぞれ FPGA に接続 さ れた イ ーサネ ッ ト PHY に よ っ て ド ラ イ ブ さ れます。 こ の
ボー ド を使用 し た場合、 いずれの産業用 イ ーサネ ッ ト 規格を実装す る 場合に も 必要 と な る のは、 上位層の ソ フ
ト ウ ェ ア、 レ イ ヤ 2 のハー ド ウ ェ ア （ま たは MAC IP）、 お よ び Nios II プ ロ セ ッ サだけです。 産業用 イ ーサ
ネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ル用に、 多 く の リ フ ァ レ ン ス ・ デザ イ ンが MercuryCode ボー ド ( ま たはその先行品であ る
DBC2C20 ボー ド ) 上で検証 さ れてお り 、 現在入手で き ます。 こ のボー ド には、 高速通信ま たは LCD デ ィ ス プ
レ イ 駆動用の CAN、 USB、 UART、 LVDS イ ン タ フ ェ ース対応の ト ラ ン シーバ も 実装 さ れてい ます。
ま とめ
産業用機器市場向けの イ ーサネ ッ ト ・ テ ク ノ ロ ジーは、 多大な利益を も た ら し 、 今後 5 年間に急成長す る と 予
測 さ れてい ます。 数多 く の産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ル ・ ソ リ ュ ーシ ョ ンが存在 し 、 それぞれに長所があ
り ますが、 イ ーサネ ッ ト ・ テ ク ノ ロ ジーは間違いな く 進歩を続け、 既存お よ び新 し い産業用 イ ーサネ ッ ト ・ ソ
リ ュ ーシ ョ ンの進化を促 し ます。 1 Gbps お よ び 10 Gbps イ ーサネ ッ ト の よ う なテ ク ノ ロ ジー、 お よ び現行の
802.3 規格の リ アル タ イ ム な改善に よ り 、 性能 と 信頼性は さ ら に向上 し ます。 さ ら に、 セキ ュ リ テ ィ 、 冗長性、
お よ びセーフ テ ィ ・ プ ロ ト コ ルな ど の他の技術分野への重点的な取 り 組みに よ っ て も 、 産業用 イ ーサネ ッ ト 規
格が継続 し て変更 さ れ る こ と には疑 う 余地がな く 、 産業用機器 メ ーカに絶えず課題を突 き つけてい ます。
低 コ ス ト の FPGA デバ イ ス と ソ フ ト ・ マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ IP の出現は、 産業用 イ ーサネ ッ ト に対す る コ ス ト
効果の高いプ ロ グ ラ マブル ・ ソ リ ュ ーシ ョ ン を可能に し ま し た。 FPGA は、 ベース と な る 1 つのハー ド ウ ェ ア
で ど の イ ーサネ ッ ト ・ ベース の産業用通信プ ロ ト コ ルに も 対応で き る 能力、 そ し てプ ロ グ ラ マブル ・ ロ ジ ッ
ク ・ デバ イ ス が持つシ ス テ ム統合、 柔軟性、 陳腐化防止 と い っ た利点 も 提供 し ます。 再プ ロ グ ラ ム可能なハー
ド ウ ェ ア、 SOPC Builder、 お よ び Nios II プ ロ セ ッ サを組み合わせ る こ と で、 開発者は物理ハー ド ウ ェ ア を変更
し ないで、 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルの上位層 と 下位層の両方を簡単に変更で き ます。 既存のプ ロ ト コ ルが進
化 し 、 レ ガシー ・ イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を置 き 去 り に し て、 新 し いプ ロ ト コ ルが登場す る よ う にな る ほ ど、
すべての産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルをサポー ト で き る 柔軟かつ コ ス ト 効果の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン を持つ
こ と が重要にな り ます。 FPGA に産業用 イ ーサネ ッ ト を実装す る こ と が、 あ ら ゆ る 産業用機器 メ ーカにおいて
必須にな っ て き てい ます。
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Altera Corporation
産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
詳細情報について
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産業用機器エ ン ド ・ マーケ ッ ト :
www.altera.co.jp/industrial
Nios II プ ロ セ ッ サ — 最 も 汎用性に優れたエ ンベデ ッ ド ・ プ ロ セ ッ サ
www.altera.co.jp/nios
Cyclone III FPGA: 低消費電力、 多機能性、 低 コ ス ト の こ れま でにない組み合わせ :
www.altera.co.jp/cyclone3
エンベデ ッ ド ・ プ ロ セ ッ シ ン グ :
www.altera.co.jp/embedded
FPGA １ チ ッ プで、 複数の産業用 イ ーサネ ッ ト ・ プ ロ ト コ ルを サポー ト す る 方法
www.altera.co.jp/b/support-multiple-industrial-ethernet-protocols-single-fpga.html
産業用イ ーサネ ッ ト 製品
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EtherNet/IP、 PROFINET RT、 ETHERNET Powerlink、 Modbus-TCP、 EtherCAT、 IEEE 1588 ス タ ッ ク :
www.ixxat.com
EtherNet/IP、 PROFINET RT、 Modbus-IDA、 EtherCAT:
www.softing.com
EtherCAT:
www.beckhoff.de/english/ethercat/ec_ipcore_overview.htm
SERCOS III:
www.automataweb.com
PROFINET IRT、 easyIRT:
www.ines.zhaw.ch
MercuryCode ( ま たは DBC2C20) ボー ド と リ フ ァ レ ン ス ・ デザ イ ン :
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欧州 : www.ebv.com
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その他の国 : www.devboards.de
MotionFire:
www.arrownac.com/mktg/motionfire
openPOWERLINK:
sourceforge.net/projects/openpowerlink
VARAN:
www.sigmatek.at
産業用イ ーサネ ッ ト 機関
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ETHERNET Powerlink Standardization Group (EPSG):
www.ethernet-powerlink.org
EtherCAT Technology Group:
www.ethercat.org
Fieldbus Foundation:
www.fieldbus.org
Modbus:
www.modbus-ida.org
ODVA for Ethernet/IP:
www.odva.org
Profibus and Profinet:
www.profinet.com
Safety Network International e.V.:
www.safetybus.de
SERCOS interface:
www.sercos.org
SynqNet:
www.synqnet.org
VARAN Bus User Organization:
www.varan-bus.net
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産業用イ ーサネ ッ ト に対応する柔軟性の高い ソ リ ュ ーシ ョ ン
Altera Corporation
謝辞
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Stefano J. Zammattio, Product Manager, Altera Corporation
Jason Chiang, Sr. Technical Marketing Manager, Altera Corporation
Stefan Weiher, Product Manager, IXXAT GmbH
Frank Iwanitz, Product Manager, Softing AG
Prof. Hans Doran, ZHAW InES
101 Innovation Drive
San Jose, CA 95134
www.altera.com
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Copyright © 2009 Altera Corporation. All rights reserved. Altera, The Programmable Solutions Company, the stylized Altera logo, specific device
designations, and all other words and logos that are identified as trademarks and/or service marks are, unless noted otherwise, the trademarks and service
marks of Altera Corporation in the U.S. and other countries. All other product or service names are the property of their respective holders. Altera products
are protected under numerous U.S. and foreign patents and pending applications, maskwork rights, and copyrights. Altera warrants performance of its
semiconductor products to current specifications in accordance with Altera's standard warranty, but reserves the right to make changes to any products and
services at any time without notice. Altera assumes no responsibility or liability arising out of the application or use of any information, product, or service
described herein except as expressly agreed to in writing by Altera Corporation. Altera customers are advised to obtain the latest version of device
specifications before relying on any published information and before placing orders for products or services.