作者|Tanmoy Sen

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如今網絡發達的今天，越來越多的設備都有聯網的需求，聯網的方式也越來越多。

在 2022 年 11 月于紐倫堡舉辦的智能生產解決方案（SPS）展覽會上，由 Analog Devices、Arm、Amazon Web Services (AWS)、B&R Industrial Automation、萊迪思半導體、 施耐德電氣、Texas Instruments 和 NXP 等 8 家合作伙伴組成的一個工作組宣布， 將利用 FreeRTOS 創建一個開放源代碼的基于時間敏感網絡（TSN）的開放平臺通信聯合架構（OPC UA）。

為了使 OPC UA 與現有的工業協議一樣在現場得到廣泛應用， 支持 OPC-UA/TSN 的設備價格必須與現有的解決方案持平。這就需要有支持 OPC-UA/TSN 的基于低成本 MCU 和低功耗 FPGA SoC 的設備。

FreeRTOS-plus-TCP 軟件架構

在 FreeRTOS+TCP 堆棧的現有設計中，IP 任務被設計為事件驅動任務。它 它在一個 FreeRTOS 隊列上超時阻塞（掛起），應用程序和網絡接口向該隊列發布事件 。當接收到一個事件（在隊列中發布的事件）時，IP 任務會解除阻塞并處理 這些事件。這些事件包括：

從套接字 API 發送/接收事件，以及向套接字 API 發送/接收事件

IP 堆棧定時器事件

其他網絡事件（如網絡上行/下行事件）

隊列中收到的所有事件當前都以相同的優先級進行處理 （因為只有一個 SW 隊列），與流量類型、套接字配置、協議等無關。

支持 TSN 的現有架構的局限性

現有堆棧中沒有處理多優先級流量數據的選項。

三次上下文切換（應用程序任務到 IP 任務和 IP 任務到網絡驅動程序任務）可能 會使 TSN 運行的發送和接收延遲變得不確定。

FreeRTOS-plus-TCP 空閑任務 PrvIPTask 目前的優先級高于 應用任務。這將造成問題，因為 TSN 較高的吞吐量可能要求應用程序 任務的優先級高于空閑任務。

在發送和接收時使用相同的以太網驅動任務 將對 TSN 的高速吞吐量構成挑戰。

向前邁進 我們正在根據以下設計原則推進 FreeRTOS+TCP 堆棧： API:

針對盡力而為和 TSN 流量的通用 API。

為了支持TSN 流量類型，引入一個名為 "FREERTOS_AF_TSN 的新的 "xDomain" ——在 "FreeRTOS_socket" API 中。

流量分離層：

套接字層之后的解碼層可區分盡力而為 TCP 流量 和 TSN 流量。

這一層還可區分各種優先級的 TSN 流量。

流量優先級和多優先級隊列：

支持多優先級，以便在第 2 層獲得確定性流量。

支持根據優先級處理流量。

該堆棧可在 2 種模式下工作：

只有盡力而為流量：在這種情況下，堆棧將作為單一隊列系統運行。

盡力而為流量和 TSN 流量：根據底層硬件支持的隊列數量， 激活所需的隊列數量。

流量調度： 傳輸：

FreeRTOS-plus-TCP 將使用簡單的輪詢機制將 隊列刷新到硬件。

硬件將決定發送和接收速率，FreeRTOS-plus-TCP 堆棧將保持硬件速率。

每個隊列都有一個閾值，只要達到該值，DMA 就會將數據傳輸到 TSN MAC。 接收： TSN 硬件將根據流量優先級來確定數據包的優先級。

發送+接收框圖

審核編輯：湯梓紅