摘要：

現代F??PGA和可重配置平臺的長期供應，靈活性和集成能力已使這些器件成為航空航天和國防市場上新型嵌入式設備的首選技術，同樣，以太網技術與用于亞微秒定時同步的IEEE 1588標準的使用相結合，簡化了這些系統之間的集成和互操作性，

此外，該領域的最新創新，例如標準確定性以太網（TSN）或高可用性標準化協議（HSR / PRP），正在促進整個資料流的工程設計：精確的時間戳資料采集，實時流量通信和無縫與Edge計算和IT基礎架構集成，

此外，FPGA供應商提供的圖形設計工具套件也促進了這些完整系統的設計，這些工具與可配置的IP核心產品組合相結合，可以從高級角度無縫設計自定義的時間感知網路和資料采集設備，用于同步和聯網的SoCe IP已被這些關鍵領域的公司廣泛使用，以實作增值設備和嵌入式系統，這是經過實踐檢驗的技術，本文介紹了這些方案中涉及的一些技術，并說明了IP和可重配置設備的好處，

關鍵詞：

以太網，IEEE 1588， TSN，IP，HSR / PRP，安全

1、精確時間協議-PTP

亞微秒同步在嵌入式系統中的需求越來越大，納秒范圍內的跟蹤時間對于協調同步系統之間的事件以及分布式體系結構上的時間戳記值非常有用，在其他應用程式中，雷達，視頻處理，機電一體化操作，GPS精確定位和確定性網路行為都得益于此級別的準確性，以太網上的IEEE 1588（PTP）提供亞微秒范圍的同步，而無需將GPS接收器連接到每個設備，此外，它是一種故障安全系統，能夠管理冗余PTP主站并可以分布在冗余以太網（HSR，PRP等）中，PTP基于分組鎖定環（PLL）方法，像任何有源同步電路一樣，IEEE 1588時鐘是采用倍訓演算法實作的伺服系統，這些計算的最終目的是在所有同步設備中提供一個準確的64位定時器， 該計時器可用于資料時間戳記，分布式控制，甚至用于作業系統同步，

在典型的PTP網路中，涉及的元素是一個或多個PTP主時鐘設備以及與該主設備同步和同步的PTP從設備，網路中的所有交換機均應支持PTP透明時鐘操作，以更正所交換的PTP幀，以免丟失預期的精度，可以使用分隔不同時鐘區域的PTP邊界時鐘設備以及能夠用作主設備和從設備的PTP普通時鐘來完成設定，圖1總結了完整的PTP設定，包括資料采集單元（DAU），記錄單元（REC）以及與許多航空航天系統中使用的傳統Irig-B同步方案的潛在橋梁和網關，該圖完成了適用于每個用例的同步IP，

2、以太網

以太網是一種眾所周知的技術，有助于標準化分布式嵌入式系統之間的通信，在這些專案中，基本的以太網第2層操作員通過VLAN支持（標記，基于埠的路由等），IEEE 1588，專用MAC地址和QoS管理，基于硬體的資料預處理等得到了補充，與可定制的HDL IP內核的結合克服了以太網ASSP設備的局限性，并確保了許多這些關鍵任務專案中所需的源代碼可訪問性和長期供應，但是，該行業中定義的新專案要求克服標準以太網的局限性：缺少對已發送幀的確認，這可能會影響系統的可靠性以及無法處理實時流量，

3、高可用性以太網

從這個意義上講，高可用性無縫冗余（HSR）協議和并行冗余協議（PRP）提供了零延遲恢復時間，并且在以太網上不會丟失任何幀，HSR面向以太網環型拓撲，而PRP可以與兩個獨立的傳統以太網路一起作業，實際上，可以將PRP，HSR和PTP結合使用，以從其特定功能中受益，圖2表示SoCe和其他供應商在ISPCS 1588-plugfest中于2015年構建的網路拓撲，該網路拓撲支持PTP over PRP和HSR網路，

4、確定性以太網和TSN

確定性以太網允許以盡力而為的方式（常規以太網流量）合并在相同的媒體和網路實時流量中，為了簡化不同供應商之間的互操作性，有一項強大的IEEE計劃得到了思科，英特爾博通，賽靈思或博世等工業公司的支持，它被稱為時間敏感網路—TSN，這是負責資料鏈路層標準的IEEE 802.1任務組的名稱，該小組提供的規范將允許通過IEEE 802網路進行時間同步，低延遲的流服務， TSN的獨特之處在于其流以保證的帶寬和確定的延遲交付，

5、IP和可重新配置設備

傳統以太網，高可用性以太網，確定性以太網和精確定時技術在該行業的專案中多次組合，在諸如Radar之類的密集型DSP應用中，從PTP同步和使用以太網進行通信中受益是很有意義的，高端FPGA中高速資料采集，處理和通信的完全集成簡化了產品的整個生命周期：從設計到維護，

可通過高級設計工具進行配置的，經過現場驗證的IP核產品組合可以成為這些專案中的寶貴合作伙伴， SoCe自2010年以來一直提供這些IP，主要的技術差異總結如下：

5.1 低延遲和無阻塞交換矩陣

關鍵任務設備的以太網交換機要求低延遲的交換時間，并要求ASSP以太網交換機設備提供更高的可靠性，標準以太網通信無法確保幀的傳遞，即使那些優先級最高的幀也是如此，它依賴于網路設計人員的任務，即正確地設計所有涉及的元素，首要要求是確保設備中嵌入的開關矩陣的低延遲，對于MES IP測得的等待時間大約是64位元組幀，這將這種實作定義為一種真正的低等待時間，

結合這種低延遲操作，需要一種能夠消除不希望出現的行頭（HOL）效應的架構，該效應限制了交換機的有效性能，如果矩陣在其輸出埠中遇到爭用或擁塞問題，則此效果會阻止將傳入資料包傳遞到埠目標，

在FPGA上實作的以太網交換機可以滿足所有這些要求，同時，FPGA供應商確保為實施中選擇的可重配置設備提供長期供應，從這個意義上講，經過現場驗證的HDL編碼IP的可用性為航天和國防領域的嵌入式專案提供了安全可靠的解決方案，SoC-e交換IP基于優化的無阻塞交換矩陣，該矩陣與每個埠的分布式記憶體相結合，可管理1GbE流量的100％帶寬，從而確保了多達16個埠的交換矩陣中的非HOL效應，根據實作的功能（埠數量，功能等）和FPGA資源，該代碼提供了20多個通用引數，這些引數可以在合成時選擇，以獲得最優化的解決方案，

5.2 IEEE 1588支持

對于以太網連接的設備而言，獲得GPS范圍定時同步的好處是該行業的明顯優勢，但是，工程IEEE 1588系統并不簡單，

即使對于簡單的IEEE 1588設定，也必須為網路提供主時鐘設備以及與主時鐘同步的從時鐘，此外，所有交換機都應能夠糾正IEEE 1588幀，透明時鐘設備支持此操作，并校正交換機的停留時間和與相鄰埠之間的部分關聯的鏈路延遲，在FPGA上實作的以太網交換機通過硬體管理此透明時鐘操作，從而簡化了IEEE 1588功能的集成，SoC-e交換IP對每個埠都獨立支持此功能，即使是緊湊的對等操作模式也可以自動計算并應用鏈路延遲補償，如果節點需要支持“主”或“從”操作模式，則SoCe IP和軟體產品組合將完成所需的交鑰匙解決方案，以滿足設備的同步需求，

5.3 無縫集成和配置以實作最佳實施

基于現代FPGA的設計的高密度允許在單個設備中集成強大的功能，通常在單個設備中結合使用資料采集，數字信號處理和網路模塊，此外，得益于Xilinx Zynq MPSoC Ultrascale +之類的新型混合可重配置平臺，可以將功能強大的多處理器體系結構嵌入高端可重配置邏輯中，

幸運的是，設計方法正在不斷發展，如今，從高級設計圖形工具來面對這些設計是可行的，這些新一代工具的一個很好的例子是Vivado Design Suite，該工具為FPGA設計提供了圖形化的高級入口點，如果使用第三方專用IP內核可以提供所需的功能，則設計人員僅需使用用戶友好的選單為IP選擇所需的配置引數，該工具最終將為FPGA生成組態檔，因此，不需要在HDL級別上作業，

例如，圖3顯示了受管理的以太網交換機（MES）IP配置引數的一個螢屏快照，該螢屏快照總結了與具有廣播保護，組播過濾，靜態MAC表管理，優先級和內部埠鏡像聚合的其他選項相關的泛型，此外，該IP具有等效的配置選單，用于選擇配置介面，交換機支持的附加協議的實作，與每個PHY和埠的通信介面以及許多其他介面，這種模塊化是將不同IP組合以生成量身定制的網路設備的寶貴功能，

5.4 FPGA上的IEEE 1588自定義開關

為了說明這種模塊化，圖4所示的框圖表示可重配置平臺上支持IEEE 1588的復雜交換機的框圖，

該設計總共具有10個千兆以太網（GbE）和2個HSR / PRP / GbE以太網埠，目標設備是Xilinx Zynq MPSoC Ultrascale +，其在ASIC部分中包括處理系統（PS），4個ARM CorteX-A53 CPU，2個ARM-R5 CPU，1個ARM Mali GPU），記憶體控制器和連接性外圍設備，在稱為可編程邏輯（PL）的可重新配置部分中，該平臺嵌入了一個大型FPGA，在此示例中，PL中實作的功能包括低延遲聯網，亞微秒精度計時和實時流量的專門安全性，

這些交換模塊支持透明時鐘功能，此外，由于精確時間多組態檔（PTM）IP內核與PTP軟體堆疊結合運行，因此該系統具有IEEE 1588主，從和邊界時鐘功能，

在這種設計中，在PL部分中實作的嵌入式交換機體系結構使用固定部分中可用的一個GMAC與PS部分進行通信，這樣，CPU中運行的軟體和作業系統對網路體系結構的訪問是透明的，值得一提的是，在此GMAC與交換基礎架構之間的鏈接中，如何包含專用的線速加密模塊，它是SAScrypt IP的一個實體，該IP負責對具有嚴格實時要求的以太網型別的通信進行加密和解密，

圖5詳細說明了Vivado高級設計，該設計使用MRS IP實作了12個千兆以太網埠，該配置使用3個Xilinx QSGMII模塊完成，該模塊用于直接驅動嵌入到該專案目標設備中的Multi-Gigabit收發器（MGT），

5.5 減少風險和開發時間

自定義開關專案獲得的經驗表明，如果有經過現場驗 證的參考平臺，則開發作業將大大減少，通常需要花費大量的工程時間來尋找以太網PHY的正確配置或尋找動態記憶體控制器的有效引數，為了簡化這些任務，SoCe開發了堅固的模塊上系統（SoM）和載體，可用于開發和試驗階段，甚至可直接集成到設備中，這些模塊的產品組合僅包括FPGA，Zynq和Zynq Ultrascale + MPSoC板，從連接性的角度來看，這些模塊是兼容的，從而可以進一步升級系統，這些SoM的一個示例是圖6中所示的SMARTmpsoc模塊，它已插入SMART載板上，這款緊湊的主板尺寸為88*66mm，包括Xilinx Zynq MPSoC Ultrascale + XCZU3EG器件，2 GB DDR4 RAM存盤器，64 MB Quad SPI閃存，16GB eMCC閃存，5x以太網Phys 10/100 / 1000BaseT-X，3x PS-GTR收發器支持其他高速連接通道，例如SGMII，實時時鐘電池（RTC），安全IC（TPM，陀螺儀等）和SATA-3磁盤介面連接器，

該SoM可以插入可用的一種載體中，例如圖6中所示的Brick，也可以插入客戶板上，該模塊的典型應用是高級以太網網路，結合了邊緣計算和網路安全

6、結論

新的同步和網路技術與可重新配置的設備相結合，正在簡化用于航空航天和國防系統的復雜系統的設計和維護，本文介紹的用例說明了經過現場驗證的IP如何允許靈活的組合來獲得量身定制的FPGA實施方案，這些方案能夠將納秒范圍的同步與高可用性網路和線速安全性集成在一起，這些技術是這些先進行業需求的關鍵驅動力，

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