FreeRTOS-TCP软件架构详解

作者|Tanmoy Sen

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如今网络发达的今天，越来越多的设备都有联网的需求，联网的方式也越来越多。

在 2022 年 11 月于纽伦堡举办的智能生产解决方案（SPS）展览会上，由 Analog Devices、Arm、Amazon Web Services (AWS)、B&R Industrial Automation、莱迪思半导体、 施耐德电气、Texas Instruments 和 NXP 等 8 家合作伙伴组成的一个工作组宣布， 将利用 FreeRTOS 创建一个开放源代码的基于时间敏感网络（TSN）的开放平台通信联合架构（OPC UA）。

为了使 OPC UA 与现有的工业协议一样在现场得到广泛应用， 支持 OPC-UA/TSN 的设备价格必须与现有的解决方案持平。这就需要有支持 OPC-UA/TSN 的基于低成本 MCU 和低功耗 FPGA SoC 的设备。

FreeRTOS-plus-TCP 软件架构

在 FreeRTOS+TCP 堆栈的现有设计中，IP 任务被设计为事件驱动任务。它 它在一个 FreeRTOS 队列上超时阻塞（挂起），应用程序和网络接口向该队列发布事件 。当接收到一个事件（在队列中发布的事件）时，IP 任务会解除阻塞并处理 这些事件。这些事件包括：

从套接字 API 发送/接收事件，以及向套接字 API 发送/接收事件

IP 堆栈定时器事件

其他网络事件（如网络上行/下行事件）

队列中收到的所有事件当前都以相同的优先级进行处理 （因为只有一个 SW 队列），与流量类型、套接字配置、协议等无关。

支持 TSN 的现有架构的局限性

现有堆栈中没有处理多优先级流量数据的选项。

三次上下文切换（应用程序任务到 IP 任务和 IP 任务到网络驱动程序任务）可能 会使 TSN 运行的发送和接收延迟变得不确定。

FreeRTOS-plus-TCP 空闲任务 PrvIPTask 目前的优先级高于 应用任务。这将造成问题，因为 TSN 较高的吞吐量可能要求应用程序 任务的优先级高于空闲任务。

在发送和接收时使用相同的以太网驱动任务 将对 TSN 的高速吞吐量构成挑战。

向前迈进 我们正在根据以下设计原则推进 FreeRTOS+TCP 堆栈： API:

针对尽力而为和 TSN 流量的通用 API。

为了支持TSN 流量类型，引入一个名为 "FREERTOS_AF_TSN 的新的 "xDomain" ——在 "FreeRTOS_socket" API 中。

流量分离层：

套接字层之后的解码层可区分尽力而为 TCP 流量 和 TSN 流量。

这一层还可区分各种优先级的 TSN 流量。

流量优先级和多优先级队列：

支持多优先级，以便在第 2 层获得确定性流量。

支持根据优先级处理流量。

该堆栈可在 2 种模式下工作：

只有尽力而为流量：在这种情况下，堆栈将作为单一队列系统运行。

尽力而为流量和 TSN 流量：根据底层硬件支持的队列数量， 激活所需的队列数量。

流量调度： 传输：

FreeRTOS-plus-TCP 将使用简单的轮询机制将 队列刷新到硬件。

硬件将决定发送和接收速率，FreeRTOS-plus-TCP 堆栈将保持硬件速率。

每个队列都有一个阈值，只要达到该值，DMA 就会将数据传输到 TSN MAC。 接收： TSN 硬件将根据流量优先级来确定数据包的优先级。

发送+接收框图

审核编辑：汤梓红