工業(yè)自動化與智能控制飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與實時性尤為重要，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)應(yīng)運而生，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TSN高精度對時方案，基于TI AM62x四核A53工業(yè)平臺。

圖 1

AM62x對TSN標準的支持

AM62x作為一款功能強大的工業(yè)處理器，全面支持多項TSN標準，為實現(xiàn)高精度對時與可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)於藞詫嵒A(chǔ)。

AM62x支持時鐘同步機制、時間感知整形器機制、搶占MAC機制、時間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊機制等TSN標準，以下分別進行介紹。

時鐘同步機制

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

圖 2 IEEE802.1AS的時鐘結(jié)構(gòu)

時間感知整形器機制

時間感知整形器(Time Awareness Shaper,TAS)是為了高精度、嚴苛的工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的調(diào)度機制，目前應(yīng)用于工業(yè)自動化領(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)，動態(tài)地為出口隊列提供開/關(guān)控制的機制，確保數(shù)據(jù)按預(yù)定時間窗口傳輸。

每個隊列有獨特的傳輸算法，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性和可靠性。

圖 3 TAS的工作原理

搶占MAC機制

由于在TAS機制中存在兩個問題：第一，保護帶寬消耗了一定的采樣時間；第二，低優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的風(fēng)險。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機制。其采用了802.3TG中的幀搶占機制，將給定的出口分為2個MAC服務(wù)接口，分別稱為可被搶占MAC(pMAC)和快速MAC(eMAC)。pMAC可被eMAC搶占，進入數(shù)據(jù)堆棧后等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成，再進行傳輸。

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

圖 4 基于搶占式MAC的傳輸機制

時間敏感流轉(zhuǎn)發(fā)與排隊機制

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)流不會干擾AVB的實時數(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)先級的入口計量、優(yōu)先級再生以及處理時間感知隊列的算法。其利用IEEE 802.1AS協(xié)議生成的定時信息和VLAN優(yōu)先級來隔離受控和非受控隊列之間的幀，同時支持時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

憑借其強大性能和對TSN標準的全面支持，AM62x在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。涵蓋工業(yè)PLC、運動控制器、邊緣計算網(wǎng)關(guān)、工商業(yè)儲能EMS、汽車充電樁、血液分析儀等，滿足了不同工業(yè)場景對數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)亩鄻踊枨蟆?/p>

圖 6

時鐘同步機制案例演示

為了簡化描述，本文僅摘錄部分方案功能描述與測試結(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：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

案例簡介

本案例主要演示基于TSN的時鐘同步機制進行PTP（高精度時間同步協(xié)議）對時測試。

案例演示

（1）gPTP對時測試

進入評估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，查看eth0的PTP編號。

Target# ethtool -T eth0

圖 7

在評估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進行對時測試。

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

圖 8

在評估板2執(zhí)行如下命令，進行對時測試，測試結(jié)果如下所示。下圖第一列紅色框打印的信息為2個評估板的對時時差，單位為ns；查看s2時鐘的master offset數(shù)據(jù)，可見gPTP對時功能基本正常。第二列紅色框打印的信息為path delay，單位為ns。按"Ctrl + C"可停止測試。

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

圖 9

（2）IEEE1588對時測試

進入評估板1文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進行對時測試。

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

圖 10

進入評估板2文件系統(tǒng)，執(zhí)行如下命令，進行對時測試。下圖第一列紅色框打印的信息為2個評估板的對時時差，單位為ns；查看s2時鐘的master offset數(shù)據(jù)，可見IEEE 1588對時功能基本正常。第二列紅色框打印的信息為path delay，單位為ns。按"Ctrl + C"可停止測試。

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

圖 11

通過上述測試，充分驗證了基于TI AM62x四核A53工業(yè)處理器平臺的TSN高精度對時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)的案例演示及詳細產(chǎn)品資料，各位工程師可以通過公眾號（Tronlong創(chuàng)龍科技）查閱。

審核編輯 黃宇