FreeRTOS-TCP軟件架構(gòu)詳解

作者|Tanmoy Sen

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如今網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的今天，越來越多的設(shè)備都有聯(lián)網(wǎng)的需求，聯(lián)網(wǎng)的方式也越來越多。

在 2022 年 11 月于紐倫堡舉辦的智能生產(chǎn)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(dǎo)體、 施耐德電氣、Texas Instruments 和 NXP 等 8 家合作伙伴組成的一個(gè)工作組宣布， 將利用 FreeRTOS 創(chuàng)建一個(gè)開放源代碼的基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的開放平臺通信聯(lián)合架構(gòu)（OPC UA）。

為了使 OPC UA 與現(xiàn)有的工業(yè)協(xié)議一樣在現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用， 支持 OPC-UA/TSN 的設(shè)備價(jià)格必須與現(xiàn)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(shè)備。

FreeRTOS-plus-TCP 軟件架構(gòu)

在 FreeRTOS+TCP 堆棧的現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，IP 任務(wù)被設(shè)計(jì)為事件驅(qū)動任務(wù)。它 它在一個(gè) FreeRTOS 隊(duì)列上超時(shí)阻塞（掛起），應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)接口向該隊(duì)列發(fā)布事件 。當(dāng)接收到一個(gè)事件（在隊(duì)列中發(fā)布的事件）時(shí)，IP 任務(wù)會解除阻塞并處理 這些事件。這些事件包括：

從套接字 API 發(fā)送/接收事件，以及向套接字 API 發(fā)送/接收事件

IP 堆棧定時(shí)器事件

其他網(wǎng)絡(luò)事件（如網(wǎng)絡(luò)上行/下行事件）

隊(duì)列中收到的所有事件當(dāng)前都以相同的優(yōu)先級進(jìn)行處理 （因?yàn)橹挥幸粋€(gè) SW 隊(duì)列），與流量類型、套接字配置、協(xié)議等無關(guān)。

支持 TSN 的現(xiàn)有架構(gòu)的局限性

現(xiàn)有堆棧中沒有處理多優(yōu)先級流量數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。

三次上下文切換（應(yīng)用程序任務(wù)到 IP 任務(wù)和 IP 任務(wù)到網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序任務(wù)）可能 會使 TSN 運(yùn)行的發(fā)送和接收延遲變得不確定。

FreeRTOS-plus-TCP 空閑任務(wù) PrvIPTask 目前的優(yōu)先級高于 應(yīng)用任務(wù)。這將造成問題，因?yàn)?TSN 較高的吞吐量可能要求應(yīng)用程序 任務(wù)的優(yōu)先級高于空閑任務(wù)。

在發(fā)送和接收時(shí)使用相同的以太網(wǎng)驅(qū)動任務(wù) 將對 TSN 的高速吞吐量構(gòu)成挑戰(zhàn)。

向前邁進(jìn) 我們正在根據(jù)以下設(shè)計(jì)原則推進(jìn) 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(gè)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(qū)分盡力而為 TCP 流量 和 TSN 流量。

這一層還可區(qū)分各種優(yōu)先級的 TSN 流量。

流量優(yōu)先級和多優(yōu)先級隊(duì)列：

支持多優(yōu)先級，以便在第 2 層獲得確定性流量。

支持根據(jù)優(yōu)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(duì)列系統(tǒng)運(yùn)行。

盡力而為流量和 TSN 流量：根據(jù)底層硬件支持的隊(duì)列數(shù)量， 激活所需的隊(duì)列數(shù)量。

流量調(diào)度： 傳輸：

FreeRTOS-plus-TCP 將使用簡單的輪詢機(jī)制將 隊(duì)列刷新到硬件。

硬件將決定發(fā)送和接收速率，F(xiàn)reeRTOS-plus-TCP 堆棧將保持硬件速率。

每個(gè)隊(duì)列都有一個(gè)閾值，只要達(dá)到該值，DMA 就會將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?TSN MAC。 接收： TSN 硬件將根據(jù)流量優(yōu)先級來確定數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。

發(fā)送+接收框圖

審核編輯：湯梓紅