基于ARM SoC的低延迟以太网AVB控制器设计和评估

基于ARM SoC的低延迟以太网AVB控制器设计和评估

为了满足车辆间通信需求并确定未来汽车的嵌入式架构，需要开发新的互连技术。而以太网音视频桥接（AVB）技术是一种新型互联技术，因为其具有时间敏感、同步通信和高比特率的特性。但目前市场上还没有以太网AVB产品且对具有AVB的片上服务系统（SoC）的研究也很少。因此，研究将传统以太网媒体接入控制器（MAC）应用到AVB控制器中，并将ARM处理器的片上SoC 与AVB控制器进行集成。首先，建立一个硬件/软件分区架构和一个可组合的硬件架构，增加了53%的附加逻辑和28%的附加触发器，将传统MAC进行扩展。其次，将由处理系统（PS）和可编程逻辑（PL）组成的Xilinx Zynq 7000片上系统与AVB以太网控制器集成，将现场可编程门阵列（FPGA）原型应用于ZedBoard中作为开发套件。最终，在Linux（内核版本3.14）操作系统上进行一系列试验，试验中将网络传输端点直接连接，以消除交换机或其它端点的影响，进而更精确地评估控制器的性能指标（如延迟释放时间和同步误差）。对延迟释放时间性能进行评估的试验结果为：所建立的硬件架构延迟释放时间的变化范围为1～4μs，其偏差为25ns；而软件架构的延迟释放时间一般小于1.5μs，偏差高达1μs。虽然该架构的延迟释放时间与最小尺寸的以太网帧在100Mbit/s传输速率下的传输时间（5.12μs）相近，但也能够满足汽车端到端传输的时间延迟需求（2.5ms）。对同步误差性能进行评估的试验结果为：由实际系统引起的同步误差小于8μs，该精度能够满足汽车同步传感器的要求，但如果未来应用中需要增加同步精度，则需要在AVB以太网控制器中卸载同步协议。

所提出的新型控制器可在汽车领域中应用，但还需要额外的硬件支持才能满足未来的使用需求。目前，开发了新型网络技术即时间敏感网络（TSN），本研究所增加的额外功能能够为TSN功能的扩展提供基础。

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

编译：赵唤