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）。今天，我们公布了一个开发项目， 该项目旨在使应用程序能够一致地访问硬件中提供的 TSN 功能。该项目首先侧重于 为在工业现场级使用 OPC UA 的客户提供支持，并遵循 OPC UA 现场交换 (UAFX) 规范。
为了提供背景信息，OPC UA 是一种用于工业自动化的机器对机器通信协议， 由 OPC 基金会开发。TSN 是一种在以太网上提供确定性通信的标准技术， 由 IEEE 802.1 时敏网络任务组管理。虽然以太网是目前应用最广泛的网络技术， 但它本质上是以尽力而为的方式在网络上传输数据包 。TSN 是一套使以太网具有确定性的 OSI 第 2 层标准。以太网标头用于路由决策， 因此以太网有效载荷可以是任何内容，而不仅仅是 IP 数据包。这 意味着 TSN 可在任何环境中使用，并可承载任何工业应用的有效载荷。
据估计，到 2030 年，运行 OPC-UA/TSN 的工业现场设备 将从 2025 年的 300 万台增加到超过 2 亿台。这些设备是智能传感器、执行器和 IO 的组成部分， 可与类似设备、控制器、可编程逻辑控制器 (PLC) 和 SCADA 系统进行通信。OPC-UA/TSN 还能 直接或通过边缘设备将原始数据发送到云端， 以便进一步处理、洞察或提供更高级别的人工智能服务，如预测性维护。
目前，工业系统中的传感器数据收集机制和格式是分散的。应用程序 Profibus、Modbus、EtherCat 等工业数据通信协议缺乏通用的数据格式 和互操作性。定制的数据格式不易阅读， 并且需要进行定制编码/解码才能从机器和制造设施中提取智能。互操作性的缺乏使得客户与特定供应商的解决方案绑定在一起， 使得他们的机器与其他系统进行通信或同步的能力受到限制 。在多供应商工厂中，由于缺乏互操作性和通用格式， 开发人员很难实施高级应用，如状态监控、生产线平衡和 预测性维护。其次，开发人员对来自传感器和执行器的未过滤（原始）数据的访问受限。 要创建具有高精确度的弹性机器和 IIoT 应用程序，就需要这些未经过滤的数据。
传统上，这些传感器和执行器连接到基于微处理器的 PLC 和控制器， 这些设备会过滤掉原始数据并使用供应商特定的现场总线格式（例如 Profinet、EtherCat、CCLink）。 根据 B&R 的说法，“由于源原始数据被操纵、忽略 或仅保留报警信息，PLC 只共享部分可用数据。” 现场设备数据有助于制造商为客户 提供分析等基本服务。但是，由于未经过滤的语义传感器数据不易访问， 也从未到达云端，客户发现要创建预测性维护、状态监测和资产性能监测等更高级别的服务， 或将其用于数字孪生表示法和持续洞察力 具有挑战性。
最后，为了解决互操作性问题， 客户和工业供应商正转向像 OPC UA over TSN 这样的通信框架。OPC UA 提供了一种标准化的数据结构方式， 因此可为任何类型的资产提供语义。而 TSN 定义了通用的连接层， 可以在控制设备和现场设备之间提供确定性实时通信。OPC-UA over TSN 被设计为实时以太网通信标准， 可在自动化系统之间提供开放、确定性的实时通信 。
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。为此， TI、NXP、ADI、莱迪思半导体、Renesas、Hilscher 等硅芯片供应商 已开始生产嵌入 TSN 功能的硅芯片，以将工业现场设备的 BOM 成本至少降低 50%。 然而，现在缺少的是能使嵌入 TSN 的现场设备的开发 具有成本竞争力的软件。缺乏一个能抽象出各种硅片供应商 TSN 硬件实现的 RTOS， 阻碍了中小型工业设备制造商集中精力将带有 OPC UA/TSN 的智能传感器和执行器推向市场。
项目设计目标
我们在项目这一阶段的目标是：
- 在 FreeRTOS-plus-TCP 库中定义标准 API，以支持 TSN 和尽力而为流量。
- 在 FreeRTOS-plus-TCP 库中设计多优先级队列软件架构，以支持 TSN。
- 在 FreeRTOS-plus-TCP 堆栈和 TSN 可移植层之间定义一个清晰的边界， 这将是针对特定供应商的，并将由我们的芯片供应商合作伙伴提供。
FreeRTOS-plus-TCP 软件架构
现有架构
Repo: https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS-Plus-TCP
最新版本： V4.0.0
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。
点击放大
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。
- 传输：
- 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
点击放大
合作伙伴的反馈
我们很高兴该项目能够 降低以太网 TSN 在硬件上提供同步、调度和优先流量的复杂性，并通过一系列不同的芯片来实现。这使得 软件具有互操作性，易于重复使用，并让设备制造商专注于其客户的应用程序。 我们的合作伙伴同样感到兴奋。
“我们很高兴看到即将在 FreeRTOS 上推出的 OPC UA FX 和 TSN 解决方案， 因为这将有助于我们开发出更强大、更具实时性的产品，同时还能在经过行业验证的堆栈基础上实现 IoT 功能 。通过这种开源方式共享 R&D 资源，还能降低我们的初始投资， 缩短产品上市时间。” ——Stefan Schoenegger， B&R 工业自动化公司控制部全球产品集团经理。
“在施耐德电气，我们的目标是建立一个开放、统一、基于标准的通信生态系统， 为整个工业自动化领域带来一致性和互操作性。我们很高兴能为合作伙伴提供支持， 使基于 FreeRTOS 的新解决方案遵循 OPC UA FX 和 TSN 标准。这 将有助于发展生态系统，并将 OPC UA FX 和 TSN 带到现场和中小型终端设备。”——Florian FOUILLET，工业通信项目总监。
此外，Arm 还在 MBed TLS 中添加了 X.509 证书处理功能，以支持 802.1AR 规范 。这项工作已作为 MBedTLS 3.5.0 的一部分发布。代码库可在 此处获取。
入门和代码贡献
您可以在 FreeRTOS-plus-TCP GitHub 存储库的 tsn 分支中开始使用并了解更多信息。合作伙伴的 TSN 芯片组驱动程序将有 单独的存储库。
我们期待您的持续反馈和贡献。其中一个需要贡献的领域是 配置 TSN 设备的应用程序。Netconf 已被确定为 可以满足这一需求的配套应用程序。目前，Netconf 可用于基于 Linux 的设备， 但不适用于计算和内存受限的设备，如微控制器和基于低功耗 FPGA 的 SoC。
如果您有任何意见或要求，请访问 FreeRTOS 论坛！
