方芯半导体推出FCE1100对标ET1100，挑战倍福从站控制器芯片（ASIC）霸主地位？

随着全球经济数字化的加速推进，各行各业对芯片的需求显著增长。自2021年起，由于疫情的影响以及地缘政治因素（例如美国对中芯国际的制裁），全球半导体产业链的产能利用率有所下降，部分厂商被迫停工，这导致了工业领域相关芯片的有效供给减少。加之中国芯片产业面临人才短缺的问题，特别是在工控领域，芯片人才尤为稀缺，工业领域芯片在很大程度上依赖于国外供应。在这样的大环境下，方芯半导体专注于工业运动控制领域的芯片研发，针对EtherCAT这一高速工业以太网协议，方芯半导体其研发的一系列高性能ASIC芯片产品对标倍福，打破其在国内垄断情况，这是值得高兴的事情。据可靠消息到2023年，方芯半导体的EtherCAT从站控制器芯片出货量已超过一百万，成为国内首家突破技术封锁、拥有自主研发IP核心并能完全pin to pin对标倍福产品的芯片设计公司，这也标志着其在中国在工业运动控制领域EtherCAT从站控制芯片研发方面迈出了重要的一步。

在工业以太网协议领域三大主流的PROFINET、EtherNet/IP与EtherCAT的市场占有率分别占据显著位置，依次为23%、21%与16%。相较之下，西门子公司所推崇的PROFINET工业通信标准，虽然借其强大的兼容性实时通信能力及广泛的神态系统占据着最大的市场份额，也在工业界赢得了广泛的认可与应用，但这种全面性与强大性也带来了配置与设置过程可能相对复杂的挑战，尤其是在追求极致性能与启用高级功能时，对技术人员的专业能力提出了更高要求。另一方面，罗克韦尔自动化公司的EtherNet/IP协议，由于基于TCP/IP协议的设计使其能够无缝融入标准以太网，极大地简化了系统集成的复杂性与扩展流程，然而，在面对实时性能要求极高的实时应用场景时，EtherNet/IP或许略显逊色。

图片数据来源：HMS Networks,2024

EtherCAT从站控制器核心概念与ASIC芯片在从站控制器设计中的应用原因

EtherCAT从站控制器（ESC）作为EtherCAT系统的一个关键组成部分，是EtherCAT现场设备中基于硬件芯片实现的功能单元。这些芯片类型多样，包括专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、微处理器及微控制器等。ESC负责处理包括周期性和非周期性数据在内的读写操作，以及执行实时现场总线所需的后台任务。虽然EtherCAT网络控制器的运行不依赖于特定硬件，但现场总线设备层采用ESC芯片却能提升应用的性能。在EtherCAT的现场设备中集成ASIC，实现了芯片级别的处理。这确保了网络性能不会受到设备微控制器性能或其处理复杂软件堆栈能力的限制。实时协议处理被直接集成到芯片中，从而取消了现场设备对传统以太网连接的管理需求。

在EtherCAT现场设备中采用ASIC芯片，实现了在硬件层面直接处理EtherCAT协议相关任务的能力。这一设计使得网络性能不再受限于设备内微控制器的性能及其运行复杂软件堆栈的能力。通过将实时协议处理功能嵌入ASIC芯片，现场设备无需管理复杂的以太网连接，从而实现了EtherCAT系统每30微秒更新1000个分布式输入/输出（I/O）点的高效率。在ESC中定义的“实时数据交换”机制，通过简单的设备配置即可激活，并利用协议及特定芯片内置的固有机制进行高效的数据传输。ESC在运行过程中无需依赖IP堆栈，这与传统的基于IP的以太网技术形成鲜明对比。在EtherCAT系统中，现场设备无需具备处理复杂IP以太网通信的能力，从而降低了处理器成本、空间占用、发热量及功耗，并简化了系统的复杂性。EtherCAT利用以太网的物理层特性，而无需在现场实现完整的七层开放系统互连（OSI）模型以太网堆栈。这一简化设计不仅便于设备制造商的开发和EtherCAT系统的应用，还强调了EtherCAT并非基于IP的协议特性。EtherCAT作为一种使用标准IEEE802.3以太网技术的现场总线，其配置和供电过程相对简单，无需对完整的以太网实施进行复杂的调整。此外，由于EtherCAT芯片供应商提供的ESC在功能上具有高度的相似性，与其他基于以太网的技术相比，设备开发人员和系统用户将享受到更为简化的编程过程。EtherCAT现场设备的功能大多内置于硬件之中，用户仅需进行简单的配置即可使用。由于系统性能不再受到未知时序行为软件堆栈的影响，因此其性能表现更为可预测和稳定。

ESC提供的通用接口使得开发人员和用户能够以统一的方式利用EtherCAT设备，进一步简化了系统的集成和维护工作。同时，由于所有EtherCAT设备均支持相同的诊断技术，这也极大地便利了系统的故障诊断过程。EtherCAT协议的单一版本特性确保了设备和网络配置的一致性和稳定性，避免了因版本更新而带来的潜在问题。此外，EtherCAT协议和ESC的运行机制还支持新设备的无缝添加，无需担心对现有网络造成不利影响。

使用FPGA或MCU作为从站控制芯片，对于一些基础的从站设备而言，其成本依旧偏高。因此，选择采用ASIC方案来实现EtherCAT，这将使得从站设备的连接成本降低。此外，以太网控制器并非为现场总线应用而设计，它们要求处理器功能强大。而为提取和传递过程数据设计的EtherCAT ASIC，意味着对于简单的设备而言，无需微处理器。通过相关耦合器提供的数字接口可直接连接至数字I/O。再有ASIC芯片，作为专用集成电路，在处理EtherCAT协议时能提供更高的性能和效率，ASIC芯片能完全处理EtherCAT帧，不受主机控制器性能的限制，从而提升通信效率。ASIC芯片通常具有较低的功耗特性，这对于需要长时间运行的工业应用而言是一个显著优势。低功耗设计有助于减少能源消耗并延长设备寿命。同时ASIC芯片能集成更多外设和功能模块，这使得从站设备能实现更高的外设集成度和更复杂的控制功能。ASIC芯片由于是为特定应用定制的，因此在长期使用中表现出更高的稳定性和可靠性。相比之下，尽管FPGA具有灵活性，但在长时间运行中可能会遇到配置丢失或更新的问题。另外ASIC芯片由于是专用设计，因此体积较小，可减少板卡空间适合于空间受限的应用场景。

方芯半导体推出的FCE1X00芯片系列

倍福公司推出的ASIC专用芯片包括ET1100等系列，这些芯片因其与EtherCAT技术的紧密联系而受到众多厂商的青睐。由于EtherCAT技术由倍福首创，并且其主站软件TwinCAT同样出自倍福，因此这些芯片在兼容性方面具有明显优势。但倍福芯片的高昂价格和较长的供货周期，使得许多厂商在国内激烈的市场竞争中寻求成本效益更高的解决方案，以寻找国产替代品。方芯的FCE1100拥有自主研发的IP核心，并实现了与倍福芯片完全的pin to pin兼容性。正如文章开头所述，如果仅方芯的FCE1100出货量2023年可以达到100万，也充分证明了其在市场上的成功和可靠性。

FCE1100封装图 倍福ET1100 VS 方芯FCE1100

倍福的ET1100芯片其EtherCAT从站控制器芯片ESC负责处理EtherCAT数据帧，并利用其双端口存储空间，该空间包含4KB的寄存器和69KB的过程数据空间，以实现主站与从站间的数据交换。方芯公司推出的FCE1100芯片是专为EtherCAT从站控制器设计的。此芯片支持最多4个数据传输端口，每个端口均可独立开启或关闭。FCE1100芯片内建有8个现场总线管理单元、8个同步管理单元、4K的控制寄存器、8K的过程数据存储器以及64位的分布式时钟。该芯片能够直接作为32位数字输入输出站点使用，或者通过过程数据接口与微处理器连接，形成具备复杂功能的从站设备。

在FCE1100芯片中，某些引脚具备双重功能，它们既可作为普通引脚使用，也可在设备启动时充当配置引脚。在从站设备通电启动的瞬间，FCE1100会根据这些引脚的电平状态来存储配置信息。一旦配置信息被锁存，这些引脚便可以转作他用，并且其信号方向也可以相应地调整。配置这些引脚的方法是通过连接外部的上拉或下拉电阻来实现。当连接外部上拉电阻时，引脚被配置为逻辑高电平（1）；而连接下拉电阻时，则被配置为逻辑低电平（0）。在配置阶段完成后，部分配置引脚可能会被重新定义为状态输出引脚，用于连接LED指示灯。在这种情况下，如果引脚被配置为逻辑高电平（1），则当引脚输出低电平时LED灯会亮起；反之，如果引脚被配置为逻辑低电平（0），则当引脚输出高电平时LED灯会亮起。FCE1100的引脚配置详情如下表。

在工业自动化领域，芯片的性能和稳定性至关重要。FCE1100系列芯片的推出，不仅为国内厂商提供了性价比更高的选择，还推动了整个行业技术的进步。为了进一步满足市场需求，方芯半导体现已推出FCE1353/1354的产品对标MicroChip的LAN9252/9253/9254系列芯片，芯片了集成以太网两个电流型PHY，增加了在方案设计中接口速度、网络拓扑灵活性和功耗管理等方面的优势。小编在了解细节后，在和大家分享。

审核编辑 黄宇