工業自動化與智能控制飛速發展，數據傳輸的準確性與實時性尤為重要，時間敏感網絡（TSN）技術應運而生，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工業平臺。

圖 1

AM62x對TSN標準的支持

AM62x作為一款功能強大的工業處理器，全面支持多項TSN標準，為實現高精度對時與可靠數據傳輸奠定了堅實基礎。

AM62x支持時鐘同步機制、時間感知整形器機制、搶占MAC機制、時間敏感流轉發與排隊機制等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]構成。IEEE 802.1AS是基于IEEE 1588 V2精確時鐘同步協議發展的，稱為廣義時鐘同步協議(gPTP)，采用主從結構，它對所有gPTP網絡中的時鐘與主時鐘進行同步。

圖 2 IEEE802.1AS的時鐘結構

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、嚴苛的工業控制應用而設計的調度機制，目前應用于工業自動化領域。TAS由IEEE 802.1Qbv定義，是基于預先設定的周期性門控制列表(GCL)，動態地為出口隊列提供開/關控制的機制，確保數據按預定時間窗口傳輸。

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。為了保證傳輸前網絡空閑，TAS設置保護帶寬，防止最差情況下被占用網絡，確保數據傳輸的及時性和可靠性。

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，低優先級反轉的風險。因此，TSN的802.1Qbu和IEEE 802.3工作組共同開發了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，進入數據堆棧后等待eMAC數據傳輸完成，再進行傳輸。

通過搶占，保護帶寬可被減少至最短低優先級幀片段。然而在最差情況下，低優先級的片段可在下一個高優先級前完成。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

時間敏感流轉發與排隊機制

802.1Qav協議制定初衷是確保傳統的異步以太網數據流不會干擾AVB的實時數據流傳輸，現在Qav不再局限于音視頻的傳輸。

此協議規定了每類優先級的入口計量、優先級再生以及處理時間感知隊列的算法。其利用IEEE 802.1AS協議生成的定時信息和VLAN優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之間傳輸。

圖 5

AM62x的典型應用領域

憑借其強大性能和對TSN標準的全面支持，AM62x在眾多領域得到了廣泛應用。涵蓋工業PLC、運動控制器、邊緣計算網關、工商業儲能EMS、汽車充電樁、血液分析儀等，滿足了不同工業場景對數據處理與傳輸的多樣化需求。

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果。開發環境如下：

Windows開發環境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

Linux開發環境：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

硬件開發環境：創龍科技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，執行如下命令，查看eth0的PTP編號。

Target# ethtool -T eth0

圖 7

在評估板1文件系統，執行如下命令，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執行如下命令，進行對時測試，測試結果如下所示。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數據，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，執行如下命令，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，執行如下命令，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數據，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相關的案例演示及詳細產品資料，各位工程師可以通過公眾號（Tronlong創龍科技）查閱。

審核編輯 黃宇