ZHDA183 June   2026 AM2611 , AM2612 , AM2612-Q1 , AM2631 , AM2631-Q1 , AM2632 , AM2632-Q1 , AM2634 , AM2634-Q1 , AM263P2 , AM263P2-Q1 , AM263P4 , AM263P4-Q1

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1简介
    1. 1.1 机器人确定性挑战
    2. 1.2 为什么标准以太网无法支持实时通信
      1. 1.2.1 队首阻塞
      2. 1.2.2 缺少时间同步
      3. 1.2.3 无流量调度
    3. 1.3 基于时间敏感网络 (TSN) 的建议解决方案
      1. 1.3.1 什么是 TSN?
      2. 1.3.2 IEEE 1588(802.1AS gPTP - 通用精确时间协议)
      3. 1.3.3 IEEE 802.1Q (VLAN)
      4. 1.3.4 IEEE 802.1Qbu/Qbr(IET - 交错快速流量/帧抢占)
      5. 1.3.5 IEEE 802.1Qbv(EST - 调度流量增强)
      6. 1.3.6 CPSW 专属硬件特性
  5. 2示例用例:机器人中的分布式运动控制
    1. 2.1 典型情景
    2. 2.2 网络拓扑要求
      1. 2.2.1 为什么选择菊花链?
      2. 2.2.2 菊花链以太网解决方案的实际应用
    3. 2.3 通信要求
    4. 2.4 测试实现
  6. 3系统概述和架构
    1. 3.1 硬件架构
      1. 3.1.1 AM261x LaunchPad
      2. 3.1.2 CPSW 子系统概述:
    2. 3.2 软件架构
  7. 4实现示例
    1. 4.1 标准以太网 + CPSW InterVLAN 路由
      1. 4.1.1 什么是 Inter-VLAN 路由
      2. 4.1.2 此实现方案如何利用 Inter-VLAN 路由:
      3. 4.1.3 测试 1 基准测试
    2. 4.2 集成 gPTP 时间同步 (IEEE802.1AS)
      1. 4.2.1 什么是 PTP 时间同步?
      2. 4.2.2 此实现方案如何使用 GPTP 时间同步
      3. 4.2.3 测试 2 基准测试
    3. 4.3 集成 VLAN (IEEE802.1Q)
      1. 4.3.1 什么是 VLAN?
      2. 4.3.2 此实现方案如何利用 VLAN
      3. 4.3.3 测试 3 基准测试
    4. 4.4 集成 IET 帧抢占 (IEEE802.1Qbu/Qbr)
      1. 4.4.1 什么是 IET(交错快速流量)?
      2. 4.4.2 此实现方案如何利用 IET
      3. 4.4.3 测试 4 基准测试
    5. 4.5 集成 EST 调度 (IEEE802.1Qbv)
      1. 4.5.1 什么是 EST?
  8. 5结语
  9. 6挑战和调试注意事项
    1. 6.1 网络拓扑验证
    2. 6.2 流量分析
    3. 6.3 主机端口流量监控
    4. 6.4 PHY 链路管理
    5. 6.5 数据包未转发到下一个节点
    6. 6.6 错误处理和重试
    7. 6.7 高优先级数据包的高延迟或抖动
    8. 6.8 gPTP 不同步
  10. 7参考资料

结语

本应用手册详细介绍了如何使用 AM26x 器件实现菊花链以太网拓扑,提供了对此类系统进行构建、配置和基准测试的全面指南。其中探讨了不同的 IEEE TSN 标准,以及每种标准的集成如何影响在使用 AM261x LaunchPad 和 CPSW 子系统创建的模拟延迟受限环境中的往返延迟。这套建议的设计方案有助于在标准以太网基础上实现 90% 以上的改进,从而确保性能、带宽、确定性,并且不存在专有的供应商锁定,也不需要专用的硬件/软件。

表 5-1 基准测试摘要
节点 标准框架 (us) + GPTP + VLAN (us) + GPTP + VLAN + IET (us) + GPTP + VLAN + IET + EST (us) 总体改善 (%)
节点 1(最近)

最小值:8.42

Max:528.81

平均值:511.96

最小值:13.83

Max:67.00

平均值:44.89

最小值:8.44

Max:51.50

平均值:29.74

未来范围 94.19%
节点 2

最小值:23.60

Max:803.47

平均值:656.64

最小值:27.18

Max:194.79

平均值:125.71

最小值:23.60

Max:75.82

平均值:49.82

未来范围 92.41%
节点 3

最小值:37.776

Max:816.82

平均值:671.89

最小值:40.77

Max:194.76

平均值:190.02

最小值:40.05

Max:96.08

平均值:69.10

未来范围 89.72%
节点 4

最小值:53.88

Max:830.17

平均值:686.91

最小值:61.27

Max:399.11

平均值:251.20

最小值:57.13

Max:115.87

平均值:85.86

未来范围 87.50%
节点 5(最远)

最小值:69.128

Max:844.96

平均值:702.20

最小值:74.63

Max:453.00

平均值:303.64

最小值:70.67

Max:135.90

平均值:101.95

未来范围 85.48%
  • 可预测的延迟缩放:CPSW3G 交换机中的硬件加速 Inter-VLAN 路由可通过直通交换实现每跳一致的 7.6 微秒单向延迟。这种线性扩展使得在典型运动控制要求(< 200 µs 单向)内,对 10-15 个节点的链路进行准确的延迟预算成为可能。
  • 帧抢占机制可消除队头阻塞:IET (IEEE 802.1Qbu) 可在高后台流量负载下将最坏情况下的延迟降低约 85%。如果不采用抢占机制,512 字节的帧会在最坏情况下导致到第五个节点的往返延迟达到 473 微秒。在抢占模式下,往返延迟降至约 136 微秒,减少了 337 微秒。这使得混合关键性流量(时间关键型控制 + 尽力诊断)可在同一物理网络上使用。
  • 低于 40 纳秒的时间同步:硬件时间戳 gPTP (IEEE 802.1AS) 可在所有节点之间实现低于 40 纳秒的同步精度,从而实现协调的传感器采样和基于时间的流量调度。这种精度比基于软件的 NTP 要高三个数量级,甚至足以满足要求苛刻的运动控制应用。
  • 传输数据包的零 CPU 开销:CPSW3G 交换机完全在硬件中执行所有数据包转发、SA/DA 交换和抢占。即使在高流量期间,CPU 利用率也保持在 12%以下,留下了 88% 的处理容量可用于应用逻辑、传感器融合和控制算法。
  • 通过在每个周期结束时使用小保护频带(例如,在约100us 的时间内不传输新数据包,并且网络中已经存在的数据包有时间完成传播,避免任何新的拥塞),可以进一步提高性能,
  • 通过使用支持硬件时间戳处理的 PHY,可以进一步提高时间同步精度。PHY 添加时间戳并获取 T1、T2、T3、T4 值后,GPTP 软件栈将从 PHY 边界获取这些值,而不是在数据包进入 CPSW 子系统时为其添加时间戳,从而使偏移计算更加准确。