FreeRTOS-TCP软件架构详解
作者 | tanmoy sen
微信公众号 | strongerhuang
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。
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ip 堆栈定时器事件
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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。
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该堆栈可在 2 种模式下工作：
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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。
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