3.1 LS1028A
芯片研究
目前市面上支持
TSN
系统的芯片较少，其中两家较大的公司之一博通
（
Broadcom
）
2017
年推出了
StrataConnect BCM53570
系列的以太网交换机，该系
列支持的新技术旨在帮助用户应对物联网、汽车网络和视频等新兴应用在网络方
面带来的影响。而
LS1028A
基于恩智浦的
Layerscape
家族系列
SoC
构建，同时增
加了许多重要功能，包括两个升级版
64
位
ARM® Cortex v8
处理器内核支持实时
的工业控制、专用的
4
端口
TSN
交换机以处理
TSN L2
的数据以及
2
个独立的
TSN
以太网控制器支持
IT
和
OT
网络的融合、集成式
3D GPU
和
LCD
控制器允许人机
交互的系统、可以作为
TSN END POINT
。
LS1028A
提供丰富的
I/O
接口和高速的
互联，满足工业物联网多个场景的需求，如图
3-1
。
虽然博通
BCM53570
架构的功能和性能更优，对
TSN
的支持也更全面，但也
更适合对
TSN
技术有储备了后再进行开发。所以本文对支持
TSN
系统的交换机的
研究与设计选用
NXP
的
LS1028A
。
QorlQ LS1028A
处理器与
2.5 Gbit
以太网相结
合，拥有
PCI express Gen 3.0
、
SATA 3.0
、
USB 3.0
和
Octal/ Ouad SPI
接口，能为
许多工业和嵌入式应用程序提供可应用性。并且该设备不仅提供了与最新时间敏
感网络标准的良好集成，还支持许多
TSN
应用程序，图
3-2
显示了芯片内的主要
功能单元。
Layerscape LS1028A
系列处理器包含理想的接口组合，这些接口针对不同的
嵌入式和工业用例进行了优化，核心可以配置为对称或非对称多处理模式，允许
设备用于通用网络或计算应用程序，以及需要更多实时性能的工业应用程序。这
要求实时操作系统在一个核心上独立运行。并且
LS1028A
拥有嵌入式
PCle Gen 3.0
控制器和
2.5 Gbps TSN
以太网控制器，为工业自动化控制器提供了一个优秀的平
台。
PCle Gen 3.0
控制器可以支持端点模式，允许芯片连接到主机处理器，以卸载
实时控制，并为
IC
设备提供
TSN
通信。它的双
A72
处理器有足够的能力应对各
种实时控制应用程序。
3.2 TSN
交换机硬件设计
3.2.1
TSN 交换机系统
TSN
以太网交换机提供了一组丰富的以太网交换特性，如先进的基于
TCAM
的
VLAN
和
QoS
处理，以及使用基于
TCAM
的通用内容感知处理器
(VCAP)
进行
安全处理。本文设计的交换机设备提供对时间敏感的网络功能，包括
IEEE 1588
精确时间协议、时间感知整形、无缝冗余、每流过滤和监控、抢占和直通切换
[23]
。
支持的
TSN
功能具体如下：
（
1
）
L2 IEEE 1588
硬件时间戳，具有单步和两步时钟。
（2）用于数据路径转发
(L1
同步以太网
)
和定时
(IEEE 1588)
的独立时钟域。
（3）纳秒精度时间戳。
（4）硬件支持不对称校正。
（5）每个端口有
64
个门控制入口，时间感知整形器（
qbv
）。
（6）无缝冗余支持 128 条流（
CB）。
（7）每流监管与过滤（
PSFP
）支持
184
个流过滤器和
184
个流门，每个门有
4
个门控制条目，还有
184
个流监察。
（8）帧抢占和穿插快速通信（
qbu
）。
（9）通过切换预定的流量来进行切断。
本文设计的
TSN
交换机的逻辑框图如图
3-3
所示。该交换机大致结构与普通
交换机类似，分为以下几大模块：交换模块，
MCU
控制模块，
PHY
模块，外围时
钟与电源等模块。板内配置了适用于工业应用的双
Armv8
处理器，
4
个带有
TSN
功能的交换机端口，
2
个带有
TSN
功能的联网以太网控制器。
本文设计的交换机硬件功能如下：
（
1
）
CPU
通过
PCIe
连接到交换芯片
LS1028A
，完成整个系统的控制与接口
之间的配置管理。
（2）交换单元完成数据转发，
LS1028A
支持各种实时操作系统。
（3）
4 GB DDR4 SDRAM
焊接内存，共有
32
位
DDR4
总线，数据速率高达
1600 MT / sec
，支持双位错误检测和单位错误校正。
（4）
8 GB eMMC 5.0
，全尺寸
SD
卡插槽，
512 MB QSPI NAND
闪存和
256 MB
XSPI NOR
闪存。
（5）支持交换机的
1
个
RJ45
连接器，通过
PHY
连接带有
TSN
和
1588
（SGMII） 功能的 1 Gbps
以太网，而另外四个
RJ45
连接器，通过
PHY
连接带有
TSN
和
1588
（
QSGMII
）功能的
1 Gbps
以太网交换机。
（6）一个
USB 3.0
连接到
Type A
连接器，一个
USB 3.0
连接到
Type C
连接
器。
（7）一个
DisplayPort
界面，两个
CAN
接口连接到
DB9
连接器，两个
RS232
接口连接到
DB9
连接器和一个
3.5
毫米音频输出接口。
（8）外围配置时钟电源电路，为板内提供直流供电与参考时钟源。
3.2.2 TSN
交换机实现功能设计
图
3-4
是本文设计的
TSN
交换机中交换芯片的详细框图，下文概述了转发操
作中涉及的所有主要模块。
3.2.2 TSN
交换机实现功能设计
图
3-4
是本文设计的
TSN
交换机中交换芯片的详细框图，下文概述了转发操
作中涉及的所有主要模块。
