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산업용 이더넷을 위한 유연한 솔루션과 FPGA

이 글에서는 FPGA 디바이스를 이용해서 단일 인쇄 회로 기판 구현으로 다중표준 산업용 이더넷 기능을 제공하는 것에 대해 설명한다. FPGA 구현의 이점에 대해 설명하고 범용의 유지관리가 편리한 솔루션을 작성하기 위해 이용할 수 있는 FPGA 개발 플로우, 툴, 기술들에 대해 설명한다.

제공_ 알테라, www.altera.com

개요

70년대 중반에 Xerox에서 구상하고 1983년에 IEEE 802.3으로 표준화된 이후로 이더넷이 비즈니스 세계에서 컴퓨터 통신을 위한 사실상의 표준이 되었다. 이더넷 네트워크는 3Mbps 성능을 제공하는 동축 케이블 기반 시스템에서 비차폐 쌍꼬임(Cat 5 UTP) 케이블로 구축된 시스템으로 발전함으로써 높은 신뢰성, 낮은 가격, 100Mbps 성능을 제공할 수 있게 되었다. 1Gbps 이더넷을 제공할 수 있는 디바이스가 이미 시장에 나와 있고 10Gbps를 제공할 수 있는 디바이스가 조만간 등장할 것으로 전망됨으로써 이더넷의 계속적인 발전은 앞으로도 오랫동안 시장의 요구를 충족할 수 있을 것이다(표 1 참조).

이더넷의 거리, 가용성, 구현의 편의성과 공장 시스템을 기업 네트워크와 통합해야 하는 압력이 결합해서 산업용 개발자들로 하여금 산업용 현장 버스 통신 솔루션과 호환이 가능하거나 아니면 대체하는 이더넷 기반 산업용 네트워킹 솔루션을 개발하도록 했다. 오늘날에는 다수의 이더넷 기반 산업용 통신 프로토콜이 이용되고 있으며, 이들 각각이 장점과 단점을 갖고 있다. 이들 몇몇 프로토콜은 표준화되었거나 혹은 “공개” 됨으로써 어느 개발자나 그 프로토콜을 구현할 수 있다. 그러므로 당연히 공개 프로토콜이 더 인기가 높고 업계에서 폭넓게 이용되고 있다.

어떤 솔루션은 단순히 현장 버스 또는 애플리케이션 데이터를 표준 이더넷 패킷으로 패키징함으로써 (결정론의 부족으로 실시간 성능이 떨어지기는 해도) 표준적인 이더넷 구현 이외에는 아무것도 필요로 하지 않는다. 하지만 다수의 산업용 이더넷 프로토콜은 추가적인 맞춤형 소프트웨어를 필요로 하며 대부분의 고성능 프로토콜은 맞춤형 하드웨어 또한 필요로 하므로 다중 프로토콜을 지원하는 솔루션을 개발하고 유지관리하기가 어려워진다.

다수의 프로토콜이 존재할 뿐만 아니라 이들 프로토콜이 기본 이더넷 표준의 변화와 기술적 향상으로 계속적으로 발전하고 있다. 경쟁력을 높이기 위해서 산업용 장비 업체는 되도록 다수의 산업용 이더넷 프로토콜을 지원하는 경제성 있는 기법을 찾아야 하며 프로토콜 변화를 신속하게 채택하고, 새로운 프로토콜을 지원하고, 다른 시스템 향상을 통합할 수 있어야 한다.

범용 산업용 이더넷 솔루션의 구현

다수의 프로토콜을 지원하는 솔루션을 개발하는 것은 물론 가능하다. 각각의 프로토콜을 위해서 하나씩 일련의 플러그인 보드를 작성하기만 하면 된다. 하지만 시장에 나와 있는 표준의 수와 이들 표준의 지속적인 변화를 고려했을 때 솔루션이 어떻게 신속하게 새로운 기능과 추가적인 프로토콜을 지원하면서 경제적일 수 있을 것인가? 표준 이더넷 하드웨어를 이용한 경우에는 선택한 프로세서 디바이스 상에서 실행하기 위한 프로토콜 소프트웨어를 개발하거나 이식해야 한다. 이를 위해서 얼마나 많은 시간이 소요될 것이며 CPU가 애플리케이션과 프로토콜을 실행할 프로세싱 성능이 충분할 것인가?

새로운 산업용 이더넷 ASIC/ASSP 디바이스가 필요한 경우에는 회로 보드를 개발해야 하므로 새로운 하드웨어를 작성하는 것과 관련된 모든 비용 및 지연을 야기한다. 이더넷 프로토콜을 업그레이드할 때는 새로운 ASIC/ASSP 디바이스를 개발해야 할 것이며 기존 버전 및 새로운 버전의 프로토콜 모두를 지원하기 위해서 다중 버전의 보드가 필요할 수 있다. ASIC/ASSP 디바이스를 이용함으로써 공급 문제를 야기할 수 있으며 프로토콜이 빠르게 변화함으로써 디바이스가 구식화될 가능성이 있다. 이 유형의 솔루션은 대개 가격이 비싸고, 지원하기가 어렵고, 새로운 기능을 제공하는 것이 느리다.

FPGA 디바이스를 이용해서 산업용 이더넷 인터페이스를 구현함으로써 이러한 모든 문제들을 해결할 수 있다(그림 1 참조). FPGA의 가장 중요한 이점은 간편하게 재구성할 수 있다는 점이다. 하나의 회로 보드만 구축하고 제품을 출하하기 전이나 아니면 또는 현장에서 특정 시점에 특정한 산업용 이더넷 프로토콜에 요구되는 하드웨어로 프로그램하면 된다. 다른 프로토콜이 필요하거나 또는 고객이 주문을 변경했을 경우에는 FPGA를 재프로그램하기만 하면 된다. 그리고 이를 요구되는 FPGA 구성 파일을 이용해서 수초 내에 달성할 수 있다. 이 유형의 다중표준 솔루션은 개발 비용을 대폭적으로 절감하고 재고 및 공급 사슬 문제들을 최소화한다. FPGA 디바이스를 위한 새로운 구성 파일을 작성하기 위해서 새로운 소프트웨어나 하드웨어를 개발해야 할 수 있으나 Altera 개발 툴 및 Altera 파트너 업체들의 표준형 IP(intellectual property)를 이용함으로써 수주일 미만의 개발 시간으로 이를 간편하게 달성할 수 있다.

이더넷 트랜시버(PHY)와 결합함으로써 FPGA 디바이스가 이더넷 인터페이스가 요구하는 모든 기능들을 수행할 수 있다. PHY 및 보드 장치들은 물리 (레이어 1) 인터페이스를 다루며, (레이어 2) 미디어 액세스 컨트롤러(MAC) 하드웨어 기능은 FPGA 디바이스의 구성 로직에 의해서 관리된다. 더 상위의 기능들(레이어 3 이상)은 FPGA 로직으로 구성된 프로세서 코어 상의 소프트웨어로 구현된다. FPGA 로직의 프로그램 가능성, I/O 핀의 다중표준 지원, 다양한 표준형 인터페이스 IP를 이용할 수 있으므로 기존 애플리케이션 프로세서와 FPGA 사이에 통신 채널을 편리하게 구현할 수 있다. 프로세서 디바이스(I2C, SPI, 기타 로컬 병렬 버스 등) 또는 시스템(PCI, PCI Express, CANopen 등)의 기존 인터페이스를 이용해서 FPGA와 통신할 수 있다. 이 기법은 최소의 컴퓨팅 시간을 필요로 하고 기존 프로세서로 실행되는 소프트웨어 애플리케이션에 대해 최소의 변경을 필요로 한다는 추가적인 이점을 제공한다. 이는 시스템 소프트웨어의 상태를 유지하고 산업용 이더넷 스택 프로세싱의 고성능 구현을 위해 추가적인 프로세싱 자원을 제공한다.

FPGA 하드웨어는 프로그래머블이라서 2개 이상의 소프트 마이크로프로세서 코어를 포함하는 시스템을 작성할 수 있으므로 만약 유리한 경우라면 애플리케이션 프로세싱을 FPGA 디바이스로 통합할 수 있다. 이러한 시스템 통합의 이점은 부품 수, 비용, 전력 소비를 낮출 수 있다는 것이다. 뿐만 아니라 FPGA 디바이스의 긴 디바이스 수명과 새로운 세대로 간편하게 이전할 수 있는 능력에 의해서 전적으로 IP 기반 디자인을 구식화되는 것으로부터 보호할 수 있다. FPGA는 또한 연산 집중적인 기능을 소프트웨어가 아니라 FPGA 하드웨어로 구현함으로써 시스템 성능을 가속화할 수 있는 기회를 제공하기 때문에 더 효율적인 구현을 가능하게 하고 더 높은 성능, 더 낮은 클록 속도, 더 낮은 전력 소비의 이점을 제공한다. FPGA 하드웨어 디자인은 또한 산업용 이더넷을 위해서 허브 또는 유사한 하드웨어를 포함함으로써 이더넷 통신을 가속화할 수 있다.

FPGA는 FPGA 로직으로 구현된 프로세서나 하드웨어로 애플리케이션 작업 부담을 완화할 수 있을 뿐만 아니라 FPGA의 유연성은 시스템에 단순한 통신 인터페이스(UARTS, 병렬 I/O 등)의 새로운 인터페이스, 새로운 메모리 표준(DDR2/3 등) 지원 같은 더 복잡한 기능, 최신 통신 기술(블루투스, 기가비트 이더넷, PCI Express 등)을 구현할 수 있도록 한다.

FPGA 기반 하드웨어 디자인 구현

프로세서 및 이더넷 MAC 하드웨어 디자인을 작성하는 것이 어려울 것이라고 생각될 수 있으나 SOPC Builder라고 하는 툴과 사전에 구축된 프로세서 및 이더넷 MAC IP 컴포넌트를 이용할 수 있으므로 실제로는 비교적 간단한 작업이다. SOPC Builder는 Altera의 Quartus II 개발 환경에 통합되었으며 IP 기반 SOPC(system-on-a-programmable-chip) 디자인을 간편하게 작성할 수 있도록 설계되었다. 개발자는 HDL을 코딩하는 대신에 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 이용해서 시스템을 설계할 수 있다. SOPC Builder가 IP 기반 시스템의 구성, 통합, 생성을 가속화하고 자동화한다.

이 툴 GUI의 화면 샷(그림 2)은 왼쪽 칸에 이용 가능한 IP 목록을 보여준다. 현재 시스템에 IP 컴포넌트를 추가하기 위해서 디자이너는 필요한 IP를 더블 클릭하기만 하면 된다.

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IP 모듈을 선택했으면 구성 마법사가 나타나서 적합한 옵션을 선택할 수 있도록 한다(그림 2, 오른쪽). 이를 마치면 구성된 IP 컴포넌트가 오른쪽 칸의 현재 시스템 디자인에 표시된다. 그런 다음에는 컴포넌트 베이스 어드레스 또는 인터럽트 레벨을 변경할 수 있고, GUI를 이용해서 시스템의 인터커넥트 아키텍처를 수정해서 IP 컴포넌트 간의 연결을 변경할 수 있다. 이 프로세스(그림 3에서 설명)는 모듈러 및 고도로 최적화된 시스템을 신속하게 설계할 수 있다. 하단 칸에 디자인 오류가 표시되므로 디자이너가 어드레스 충돌이나 부적절한 컴포넌트 연결 같은 문제들을 수월하게 식별하고 교정할 수 있다.

시스템 디자인을 완료한 후에 디자이너가 “generate” 버튼을 클릭하면 이 툴이 작동하는 시스템을 구축하기 위해 필요한 모든 HDL을 생성한다. IP가 업체에 의해서 사전에 구축되고 테스트되었고 시스템 인터커넥트가 머신 생성되므로 이 디자인은 correct-by-construction이며 구현을 위해 최소의 IP 작업을 필요로 한다. 시스템이 생성되었으면 Quartus II 스키매틱 편집기에 하나의 설계 블록으로 표시된다. 그런 다음에는 대다수 SOPC Builder 생성 시스템을 위해 단일 버튼 동작으로서 하드웨어 합성이 FPGA 디바이스로 다운로드할 수 있는 구성 파일을 생성한다.

만약 나중에 새로운 또는 변경된 디자인이 필요할 때는 디자이너가 SOPC Builder 툴을 열고, GUI에서 디자인을 수정하고, 시스템을 재생성하고, 이를 Quartus II 소프트웨어를 이용해서 재합성해서 다른 구성 파일을 생성하기만 하면 된다. 그러므로 필요한 하드웨어 IP를 구입하고 이를 기존 시스템 디자인에 드롭인하고 재생성함으로써 새로운 산업용 이더넷 프로토콜을 위한 하드웨어 디자인을 생성할 수 있다. 한 번의 클릭으로 재합성을 마치면 짧은 시간 안에 하드웨어가 준비되는 것이다.

Nios II 프로세서로 소프트웨어 프로토콜 실행

이더넷 지원을 포함하는 임베디드 시스템에서는 프로세서가 상위 층 기능들( TCP, UDP 등)을 제공한다. Altera의 비로열티 32비트 RISC Nios II 프로세서는 각기 다른 비율의 크기 및 성능으로 최적화된 3가지 바이너리 호환 변형을 제공한다(표 2). Nios II/f는 높은 성능, Nios II/e는 최소 크기, Nios II/s는 크기와 성능의 절충으로 최적화된 것이다. Nios II 프로세서는 SOPC Builder IP 컴포넌트로 제공되므로 이더넷 MAC IP, 일련의 기타 주변장치, 또는 다중의 Nios II 프로세서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 편리하게 작성할 수 있다. SOPC Builder GUI를 이용함으로써 간편하고 신속하게 디자이너의 정확한 요구를 충족하는 Nios II 프로세서 시스템을 구축할 수 있으며 각기 다른 애플리케이션을 위한 각기 다른 버전을 생성할 수도 있다.

SOPC Builder를 즉시 이용할 수 있으므로 Nios II 프로세서는 Quartus II 소프트웨어에서 제공되는 무료 IP와 호환이 가능하다. 이들 IP가 표준 프로세서 주변 기능을 위한 모듈을 포함할 뿐만 아니라(UART, PIO, 메모리 컨트롤러 등), Altera 및 파트너 업체들로부터 다양한 추가적인 IP 컴포넌트들을 이용할 수 있다(이더넷 MAC, CAN, USB, PCI, PCI Express, FFT, FIR, DSP, 비디오 프로세싱 등). 적합한 경우에는 이들 컴포넌트와 함께 강력한 Nios II 소프트웨어 개발 환경이 소프트웨어 빌드 시스템으로 자동으로 통합한 Nios II 드라이버가 제공된다. 이 환경은 C 및 어셈블러로 개발이 가능하며 Eclipse 및 GNU를 기반으로 하므로 많은 개발자들에게 친숙하다.

산업용 이더넷 하드웨어 및 소프트웨어 IP

이 글을 작성할 당시로서 표 3에서 보듯이 현재 7개 산업용 이더넷 프로토콜을 위해서 상용 IP 패키지들을 이용할 수 있다. 하드웨어 IP는 보통 MAC 및 필요한 기타 로직을 포함하는 SOPC Builder 컴포넌트로 패키징된다. 소프트웨어 IP는 Nios II 프로세서를 위해 C로 작성된 라이브러리 또는 소프트웨어 API로 제공된다. 일부 업체들은 사전에 구축된 FPGA 구성을 판매하므로 디자이너들이 표준형 ASIC/ASSP 컴포넌트와 마찬가지로 편리하게 FPGA 디바이스를 이용할 수 있다.

FPGA 디바이스 제품군 개요

산업용 이더넷 애플리케이션을 위해서는 저가형 Cyclone III FPGA가 가장 적합한 디바이스이다. 이들 디바이스는 대량 수량, 가격 민감성, 저전력 애플리케이션을 위해 설계되었으며 산업용 등급으로 이용할 수 있기 때문이다. 이 제품군은 8개의 각기 다른 디바이스 패키지로 5K~120K LE와 82개~535개 사용자 I/O 핀에 달하는 8개 디바이스로 이루어졌다. Cyclone III 디바이스는 또한 최대 4Mb의 임베디드 메모리, 288개 임베디드 18비트 x 18비트 곱셈기, 전용 외부 메모리 인터페이스 회로, 위상 동기화 루프(PLL), 고속 차동 I/O 성능을 제공한다. 5,136 LE를 제공하는 가장 소형의 Cyclone III 디바이스(EP3C5E144C8)라 하더라도 일부 추가적인 IP 컴포넌트를 이용해서 간편하게 Nios II 프로세서를 집어넣을 수 있으며 산업용 이더넷 연결을 지원할 수 있다.

산업용 이더넷 애플리케이션에 이용할 수 있는 기타의 Altera 제품으로서는 Stratix III 고성능 디바이스 제품군, 핀호환 HardCopy 스트럭처드 ASIC 제품군, 빌트인 고속 트랜시버를 포함하는 Arria GX 저가형 FPGA 제품군을 포함한다.

프로젝트 시작하기

대부분의 프로젝트가 그렇듯이 프로젝트를 시작하는 가장 편리한 방법은 애플리케이션을 목표로 하는 개발 키트를 구입하는 것이다. 프로토콜 독립적 산업용 이더넷 시스템을 구현하기 위해서는 DBC2C20 개발 키트(그림 4에서 왼쪽)가 이상적이다. 이 보드는 2개의 RJ-45 이더넷 소켓을 포함하며, 각각이 FPGA로 연결된 이더넷 PHY에 의해 구동된다. 이 보드를 이용함으로써 디자이너는 산업용 이더넷 표준을 구현하기 위해서 상위 층 소프트웨어, 레이어 2 하드웨어(또는 MAC IP), Nios II 프로세서만 있으면 된다. 다수의 산업용 이더넷 프로토콜을 위한 참조 디자인이 DBC2C20 보드로 검증되었으며 시장에 나와 있다. 이 보드는 또한 고속 통신이나 LCD 디스플레이 구동을 위해 CAN, USB, UART, LVDS 인터페이스를 위한 트랜시버를 포함한다.

유럽에서는 Altera의 유통업체인 EBV가 DBC2C20 보드와 이의 참조 디자인을 포함해서 산업용 이더넷 애플리케이션을 위한 특수 지원을 제공한다. IXXAT GmbH는 2개의 RJ-45 커넥터를 제공하는 Cyclone 기반 I/O 모듈(그림 4에서 오른쪽)을 판매하므로 이를 이용해서 EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP, EtherCAT, ETHERNET Powerlink 등의 어떠한 FPGA 기반 산업용 이더넷 솔루션이든 개발하고 프로토타입할 수 있다. Beckhoff는 자사의 EtherCAT IP 코어를 이용한 개발을 위해서 Cyclone III FPGA 기반 평가 키트(EL9830)를 판매한다.

요약

산업용 시장을 위한 이더넷 기술은 다수의 이점을 제공하며 앞으로 5년에 걸쳐서 높은 성장세를 나타낼 것으로 예상된다. 다수의 산업용 이더넷 프로토콜 솔루션들이 시장에 나와 있으며 이들 각각이 고유의 이점들을 제공한다. 하지만 분명한 것은 이더넷 기술이 계속해서 발전함으로써 미래 및 현재의 산업용 이더넷 솔루션의 변화를 가져올 것이라는 점이다. 1Gbps 및 10Gbps 이더넷 같은 기술들과 현행 802.3 표준에 대한 실시간 향상은 더 높은 성능과 더 우수한 신뢰성을 제공할 것이다. 뿐만 아니라 보안 및 안전성 프로토콜 같은 다른 산업 분야의 중요성이 높아짐으로써 산업용 이더넷 표준이 의심할 여지 없이 계속해서 변화할 것이고 산업용 장비 업체들에게 계속적인 과제를 야기할 것이다.

저가형 FPGA 디바이스와 소프트 마이크로프로세서 IP의 등장은 산업용 이더넷을 위한 경제성 뛰어난 프로그래머블 솔루션을 가능하게 한다. FPGA는 동일한 베이스 하드웨어로 어떠한 이더넷 기반 산업용 통신 프로토콜이나 지원할 수 있도록 할 뿐만 아니라 프로그래머블 디바이스에 따르는 시스템 통합, 유연성, 구식화 방지의 이점들을 제공한다. 재프로그램가능 하드웨어, SOPC Builder, Nios II 프로세서를 결합함으로써 개발자들은 물리 하드웨어를 변경하지 않고 이더넷 프로토콜의 상위층 및 하위층 모두 간편하게 수정할 수 있다. 기존의 프로토콜이 발전하고 기존 구현을 뒤로 하고 더 많은 새로운 프로토콜이 등장함에 따라서 어떠한 산업용 이더넷 프로토콜이나 지원할 수 있는 유연하고 경제성 뛰어난 솔루션이 갈수록 중요해지고 있다. 산업용 이더넷을 FPGA로 구현하는 것이 모든 산업용 장비 업체들에게 필수가 되고 있다.

[참조] 국제 산업용 이더넷 주요 기관
■ ETHERNET Powerlink Standardization Group (EPSG): www.ethernet-powerlink.org
■ EtherCAT Technology Group: www.ethercat.org
■ Fieldbus Foundation: www.fieldbus.org
■ Modbus-IDA: www.modbus-ida.org
■ ODVA: www.odva.org
■ Profibus 및 Profinet: www.profinet.com
■ Safety Network International e.V.: www.safetybus.de
■ SERCOS 인터페이스: www.sercos.org
■ SynqNet: www.synqnet.org
■ VARAN Bus User Organization: www.varan-bus.net

아이씨엔 매거진 2008년 02월호

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