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。