基于LS1028 TSN 交换机硬件系统设计与实现(二）
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。
