基于ARM SoC的低延遲以太網(wǎng)AVB控制器設(shè)計和評估

基于ARM SoC的低延遲以太網(wǎng)AVB控制器設(shè)計和評估

為了滿足車輛間通信需求并確定未來汽車的嵌入式架構(gòu)，需要開發(fā)新的互連技術(shù)。而以太網(wǎng)音視頻橋接（AVB）技術(shù)是一種新型互聯(lián)技術(shù)，因為其具有時間敏感、同步通信和高比特率的特性。但目前市場上還沒有以太網(wǎng)AVB產(chǎn)品且對具有AVB的片上服務(wù)系統(tǒng)（SoC）的研究也很少。因此，研究將傳統(tǒng)以太網(wǎng)媒體接入控制器（MAC）應(yīng)用到AVB控制器中，并將ARM處理器的片上SoC 與AVB控制器進行集成。首先，建立一個硬件/軟件分區(qū)架構(gòu)和一個可組合的硬件架構(gòu)，增加了53%的附加邏輯和28%的附加觸發(fā)器，將傳統(tǒng)MAC進行擴展。其次，將由處理系統(tǒng)（PS）和可編程邏輯（PL）組成的Xilinx Zynq 7000片上系統(tǒng)與AVB以太網(wǎng)控制器集成，將現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）原型應(yīng)用于ZedBoard中作為開發(fā)套件。最終，在Linux（內(nèi)核版本3.14）操作系統(tǒng)上進行一系列試驗，試驗中將網(wǎng)絡(luò)傳輸端點直接連接，以消除交換機或其它端點的影響，進而更精確地評估控制器的性能指標（如延遲釋放時間和同步誤差）。對延遲釋放時間性能進行評估的試驗結(jié)果為：所建立的硬件架構(gòu)延遲釋放時間的變化范圍為1～4μs，其偏差為25ns；而軟件架構(gòu)的延遲釋放時間一般小于1.5μs，偏差高達1μs。雖然該架構(gòu)的延遲釋放時間與最小尺寸的以太網(wǎng)幀在100Mbit/s傳輸速率下的傳輸時間（5.12μs）相近，但也能夠滿足汽車端到端傳輸?shù)臅r間延遲需求（2.5ms）。對同步誤差性能進行評估的試驗結(jié)果為：由實際系統(tǒng)引起的同步誤差小于8μs，該精度能夠滿足汽車同步傳感器的要求，但如果未來應(yīng)用中需要增加同步精度，則需要在AVB以太網(wǎng)控制器中卸載同步協(xié)議。

所提出的新型控制器可在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用，但還需要額外的硬件支持才能滿足未來的使用需求。目前，開發(fā)了新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），本研究所增加的額外功能能夠為TSN功能的擴展提供基礎(chǔ)。

Christian Herber et al.2015 IEEE 17th International Conference on High Performance Computing and Communications(HPCC)，2015.

編譯：趙喚