工業(yè)自動(dòng)化與智能控制飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性尤為重要，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為解決這一核心需求提供了有效途徑。今天和大家分享一個(gè)TSN高精度對(duì)時(shí)方案，基于TI AM62x四核A53工業(yè)平臺(tái)。

圖 1

AM62x對(duì)TSN標(biāo)準(zhǔn)的支持

AM62x作為一款功能強(qiáng)大的工業(yè)處理器，全面支持多項(xiàng)TSN標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)時(shí)與可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

AM62x支持時(shí)鐘同步機(jī)制、時(shí)間感知整形器機(jī)制、搶占MAC機(jī)制、時(shí)間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(duì)機(jī)制等TSN標(biāo)準(zhǔn)，以下分別進(jìn)行介紹。

時(shí)鐘同步機(jī)制

TSN標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.1AS[10]和IEEE 802.1AS-rev[11]構(gòu)成。IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時(shí)鐘同步協(xié)議發(fā)展的，稱為廣義時(shí)鐘同步協(xié)議(gPTP)，采用主從結(jié)構(gòu)，它對(duì)所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘與主時(shí)鐘進(jìn)行同步。

圖 2 IEEE802.1AS的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

時(shí)間感知整形器機(jī)制

時(shí)間感知整形器(Time Awareness Shaper,TAS)是為了高精度、嚴(yán)苛的工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的調(diào)度機(jī)制，目前應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。TAS由IEEE 802.1Qbv定義，是基于預(yù)先設(shè)定的周期性門控制列表(GCL)，動(dòng)態(tài)地為出口隊(duì)列提供開/關(guān)控制的機(jī)制，確保數(shù)據(jù)按預(yù)定時(shí)間窗口傳輸。

每個(gè)隊(duì)列有獨(dú)特的傳輸算法，門控制列表(GCL)周期性掃描并按順序開放傳輸端口。為了保證傳輸前網(wǎng)絡(luò)空閑，TAS設(shè)置保護(hù)帶寬，防止最差情況下被占用網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和可靠性。

圖 3 TAS的工作原理

搶占MAC機(jī)制

由于在TAS機(jī)制中存在兩個(gè)問題：第一，保護(hù)帶寬消耗了一定的采樣時(shí)間；第二，低優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作組共同開發(fā)了IEEE 802.3br，即可搶占式MAC機(jī)制。其采用了802.3TG中的幀搶占機(jī)制，將給定的出口分為2個(gè)MAC服務(wù)接口，分別稱為可被搶占MAC(pMAC)和快速M(fèi)AC(eMAC)。pMAC可被eMAC搶占，進(jìn)入數(shù)據(jù)堆棧后等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成，再進(jìn)行傳輸。

通過搶占，保護(hù)帶寬可被減少至最短低優(yōu)先級(jí)幀片段。然而在最差情況下，低優(yōu)先級(jí)的片段可在下一個(gè)高優(yōu)先級(jí)前完成。搶占這個(gè)傳輸過程僅在連接層接口，即對(duì)于搶占式MAC，交換機(jī)需專用的硬件層MAC芯片支持。

圖 4 基于搶占式MAC的傳輸機(jī)制

時(shí)間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(duì)機(jī)制

802.1Qav協(xié)議制定初衷是確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流不會(huì)干擾AVB的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸，現(xiàn)在Qav不再局限于音視頻的傳輸。

此協(xié)議規(guī)定了每類優(yōu)先級(jí)的入口計(jì)量、優(yōu)先級(jí)再生以及處理時(shí)間感知隊(duì)列的算法。其利用IEEE 802.1AS協(xié)議生成的定時(shí)信息和VLAN優(yōu)先級(jí)來隔離受控和非受控隊(duì)列之間的幀，同時(shí)支持時(shí)間敏感流量在有線或無線局域網(wǎng)之間傳輸。

圖 5

AM62x的典型應(yīng)用領(lǐng)域

憑借其強(qiáng)大性能和對(duì)TSN標(biāo)準(zhǔn)的全面支持，AM62x在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。涵蓋工業(yè)PLC、運(yùn)動(dòng)控制器、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、工商業(yè)儲(chǔ)能EMS、汽車充電樁、血液分析儀等，滿足了不同工業(yè)場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)亩鄻踊枨蟆?/p>

圖 6

時(shí)鐘同步機(jī)制案例演示

為了簡(jiǎn)化描述，本文僅摘錄部分方案功能描述與測(cè)試結(jié)果。開發(fā)環(huán)境如下：

Windows開發(fā)環(huán)境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

Linux開發(fā)環(huán)境：Ubuntu22.04.4 64bit

虛擬機(jī)：VMware16.2.5

Linux Processor SDK：ti-processor-sdk-linux-rt-am62xx-evm-09.02.01.09

U-Boot：U-Boot-2023.04

Kernel：Linux-6.1.80、Linux-RT-6.1.80

硬件開發(fā)環(huán)境：創(chuàng)龍科技TL62x-EVM

案例簡(jiǎn)介

本案例主要演示基于TSN的時(shí)鐘同步機(jī)制進(jìn)行PTP（高精度時(shí)間同步協(xié)議）對(duì)時(shí)測(cè)試。

案例演示

（1）gPTP對(duì)時(shí)測(cè)試

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，查看eth0的PTP編號(hào)。

Target# ethtool -T eth0

圖 7

在評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

Target# ptp4l -E -2 -H -i eth0 -l 7 -m -q -p /dev/ptp0

圖 8

在評(píng)估板2執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下所示。下圖第一列紅色框打印的信息為2個(gè)評(píng)估板的對(duì)時(shí)時(shí)差，單位為ns；查看s2時(shí)鐘的master offset數(shù)據(jù)，可見gPTP對(duì)時(shí)功能基本正常。第二列紅色框打印的信息為path delay，單位為ns。按"Ctrl + C"可停止測(cè)試。

Target# ptp4l -E -2 -H -i eth0 -s -l 6 -m -q -p /dev/ptp0 -f ptp.cfg

圖 9

（2）IEEE1588對(duì)時(shí)測(cè)試

進(jìn)入評(píng)估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。

Target# ptp4l -E -4 -H -i eth0 -l 6 -m -q -f ptp.cfg

圖 10

進(jìn)入評(píng)估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進(jìn)行對(duì)時(shí)測(cè)試。下圖第一列紅色框打印的信息為2個(gè)評(píng)估板的對(duì)時(shí)時(shí)差，單位為ns；查看s2時(shí)鐘的master offset數(shù)據(jù)，可見IEEE 1588對(duì)時(shí)功能基本正常。第二列紅色框打印的信息為path delay，單位為ns。按"Ctrl + C"可停止測(cè)試。

Target# ptp4l -E -4 -H -i eth0 -s -l 6 -m -q -f ptp.cfg

圖 11

通過上述測(cè)試，充分驗(yàn)證了基于TI AM62x四核A53工業(yè)處理器平臺(tái)的TSN高精度對(duì)時(shí)方案的有效性和可靠性，感興趣的工程師朋友們，也快來上手一起試試吧！

此外，想要獲取更多AM62x相關(guān)的案例演示及詳細(xì)產(chǎn)品資料，各位工程師可以通過公眾號(hào)（Tronlong創(chuàng)龍科技）查閱。

審核編輯 黃宇