TSN介紹
隨著智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展,許多工業(yè)自動化應(yīng)用對于延遲和確定性的要求越來越嚴(yán)格?,F(xiàn)有的大部分自動化控制解決方案都是基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的,各大廠商研發(fā)了一些附加的技術(shù)機(jī)制,從而導(dǎo)致了很多協(xié)議都不兼容。如Profinet、Powerlink、EtherCAT、SercOSIII等均無法互相兼容也無法和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)共同進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此實(shí)時以太網(wǎng)解決方案市場非常分散,無法支持未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)迎合了工業(yè)以太網(wǎng)的需求,其低延遲、低抖動、高可靠性能,保證了數(shù)據(jù)的確定性傳輸和網(wǎng)絡(luò)復(fù)用性。
TSN本身并非是一個全新的技術(shù),IEEE于2002年發(fā)布了IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議,而2005年,IEEE802.1成立了IEEE802.1AVB工作組,開始制定基于以太網(wǎng)架構(gòu)的音頻視頻傳輸協(xié)議集,用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實(shí)時性、低延時以及流量整形的標(biāo)準(zhǔn),同時又確保與以太網(wǎng)的兼容性。而AVB又引起了汽車工業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)組織及企業(yè)的關(guān)注,并成立了TSN工作組,并開發(fā)了時鐘同步、流量調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置系列標(biāo)準(zhǔn)集。
TSN是基于IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的VLAN(虛擬局域網(wǎng)),該標(biāo)準(zhǔn)允許在以太網(wǎng)幀增加4個字節(jié)用于定義其特征:
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1)、標(biāo)簽協(xié)議識別:網(wǎng)絡(luò)類型識別,代表這是一個TSN網(wǎng)絡(luò),標(biāo)記0X8100;
2)、優(yōu)先級代碼(Priority Code Point):3位代碼構(gòu)成三個優(yōu)先級位,簡稱PCP;
3)、標(biāo)志位:對于網(wǎng)絡(luò)低QoS要求的數(shù)據(jù),可以予以丟棄,以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS;
4)、VLAN Identifier(VID):VLAN網(wǎng)絡(luò)的識別號,12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量,2的12次方即4096個子網(wǎng),VID=0用于識別幀優(yōu)先級,4095(FFF)作為預(yù)留值,所以VID最多可以表示4094個子網(wǎng),說明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的。
TSN作為IEEE802.1Q僅指ISO/OSI參考模型的第二層,數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn),它與其它實(shí)時總線相比有有所差別。下圖對比了各種總線在7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的位置。
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TSN協(xié)議族包含了時鐘同步、流量整形、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用配置等方面的標(biāo)準(zhǔn):
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IEEE著手將以太網(wǎng)全面升級為TSN網(wǎng),這個過程可能要用20年時間。其應(yīng)用范圍很廣,涵蓋6個領(lǐng)域,分別是:
a、以太網(wǎng)音視頻橋即EAVB,802.1BA標(biāo)準(zhǔn);
b、5G射頻前傳FrontHaul,即802.1CM/de標(biāo)準(zhǔn);
c、工業(yè)自動化即IEC/IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn);
d、車載TSN即802.1DG標(biāo)準(zhǔn);
e、服務(wù)供應(yīng)商Service Provider即802.1DF標(biāo)準(zhǔn)。
其中后3個標(biāo)準(zhǔn)尚未完成。
TSN機(jī)制
時鐘同步機(jī)制
IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協(xié)議發(fā)展的,稱為gPTP-廣義時鐘同步協(xié)議。gPTP是一個分布式主從結(jié)構(gòu),它對所有g(shù)PTP網(wǎng)絡(luò)中的時鐘與主時鐘進(jìn)行同步。首先由最佳主時鐘算法(best clock master algrothms,BCMA)建立主次關(guān)系,分別稱為主時鐘(clock master,CM)和從時鐘(clock slave,CS)。
每個gPTP節(jié)點(diǎn)會運(yùn)行一個gPTP Engine。IEEE1588所采用的PTP是由網(wǎng)絡(luò)的L3和L4層的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸,通過IPv4或IPv6的多播或單播進(jìn)行分發(fā)時鐘信息。而gPTP則是嵌入在MAC層硬件中,只在L2工作,直接對數(shù)據(jù)幀插入時間信息,并隨著數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)。
而IEEE802.1AS-rev則是一種多主時鐘體系,它主要為了確保當(dāng)有一個GrandMaster宕機(jī)時,可以快速切換到一個新的主時鐘,以便實(shí)現(xiàn)高可用性系統(tǒng),對于車載系統(tǒng)基于IEEE802.1AS即可,而對于工業(yè)則考慮高可用性采用AS-Rev版本。
數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制
TSN 的數(shù)據(jù)調(diào)度是保證時間敏感的基礎(chǔ),它的核心思想是基于不同的整形器來進(jìn)行不同應(yīng)用場景的流控制。IEEE 802.1 提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)來確??煽啃缘臄?shù)據(jù)傳輸,其中AMD的數(shù)據(jù)調(diào)度方式是時間感知的整形器(TAS Time Awareness Shaper),通過門控制列表(GCL)周期性的控制門的開/關(guān),TAS需要從發(fā)送方(Talker)到接收方(Listener)中間的所有網(wǎng)橋進(jìn)行時鐘同步,對于網(wǎng)橋中的每個端口,TAS根據(jù)已知且商定的時鐘表進(jìn)行開關(guān)驅(qū)動動作,而數(shù)據(jù)調(diào)度則可以根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)及隊(duì)列的優(yōu)先級進(jìn)行定義,在IEEE802.1Qbv的實(shí)現(xiàn)中,那些需要實(shí)時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通常被第一個安排進(jìn)行傳輸,需要在時間調(diào)度配置時預(yù)先予以確定,而與此同時,還需要為非周期性的數(shù)據(jù)預(yù)留一個通道。
其他機(jī)制
除此之外,TSN還包括IEEE 802.1Qci(包過濾,可以防止ARP攻擊等) IEEE 802.1CB(幀復(fù)制和消除,冗余系統(tǒng)) IEEE 802.1Qcc(網(wǎng)絡(luò)管理配置) IEEE 802.1Qbu(幀搶占策略)等標(biāo)準(zhǔn)。
AMD TSN-IP簡介
LogiCORE100M/1GTSN Subsystem IP在Zynq-7000和MPSoC系列SoC上實(shí)現(xiàn)了TSN標(biāo)準(zhǔn),提供了雙口橋接低延遲端點(diǎn)或者單端點(diǎn)的方案,外部可以通過RGMII/GMII連接到PHY,支持100Mb/s和1Gb/s網(wǎng)絡(luò)。
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AMD的TSN IP提供了以下標(biāo)準(zhǔn):
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從IP所具備的標(biāo)準(zhǔn)可以看出這個IP非常適合工業(yè)自動化等領(lǐng)域作為節(jié)點(diǎn)使用。
AMD TSN IP可以配置為單口端點(diǎn)模式和雙口交換模式:
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雙口交換模式實(shí)現(xiàn)方式如下:
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每個端口都有一個TAS整形器,用來控制內(nèi)部和每個端口之間的數(shù)據(jù)流,3-Port Switch是一個3口交換IP,一個口連接內(nèi)部數(shù)據(jù),另外兩個通過MAC連接到外部網(wǎng)絡(luò),PTP功能則是通過BRAM進(jìn)入到MAC層中。
在Vivado中也有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn):
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在PS側(cè),提供了相應(yīng)的軟件驅(qū)動和設(shè)備樹,保證用戶客戶可以方便快速的使用TSN IP。
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目前TSN IP支持Zynq-7000系列和MPSoC系列,IP配置為不同的模式消耗的邏輯資源如下:
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審核編輯:劉清
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VLAN
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EtherCAT總線
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原文標(biāo)題:AMD TSN方案簡介
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