为搭建TSN/TTE系统设计技术交流平台，推动产品自主可控发展，由中国计算机学会主办，抗恶劣环境计算机专委会承办的第十四次TSN系统设计论坛（ “枫林论坛”）于12月6日在湖南省长沙市开福区珠江花园酒店三楼宴会厅召开。
湖南大学嵌入式与网络计算湖南省重点实验室王中甲博士参加了本次论坛，并作了题为《TSN协议在实时操作系统上的移植实践》的技术报告，系统介绍了实验室在TSN与RTOS深度融合方面的技术成果与实践经验。
图1：TSN与RTOS融合技术海报
TSN协议基于标准以太网，主要解决了传统以太网无法满足时间敏感应用的挑战。从实时系统的角度来看，TSN的核心特性包括：
优先级调度：通过精细化的优先级控制，保证高优先级的数据流优先传输；
非固定大小时隙：支持灵活的调度策略，适应动态变化的网络需求；
高同步精度：通过精确的时间同步机制，确保网络中所有设备的时钟一致。
这三大特性对应到TSN协议族中的IEEE 802.1Qbu帧抢占、IEEE 802.1Qbv门控列表（GCL）、IEEE 802.1AS时间同步这3个子协议。当然TSN还提供了其他非常多的子协议，例如IEEE 802.1Qav流量整形（CBS）、IEEE 802.1CB帧复制与消除（FRER）、以及 IEEE 802.1Qci（流量过滤）等等。
主流TSN交换芯片（如Xilinx、NXP、Marvell，以及国产的openTSN）内部都集成了专用的TSN IP核，包括门控调度器（GCL Scheduler）、帧抢占逻辑、硬件时间戳单元（PTP Timestamping）、流量整形器（Shaper）等。这些功能由FPGA或ASIC中的固定逻辑电路实现，即使没有操作系统，也能完成基本的TSN转发任务。例如，静态配置好的GCL一旦写入硬件，就能按预设时间窗口精确开启/关闭队列门控，实现微秒级的确定性传输。
但对于自动驾驶等动态系统，需要不同的GCL时隙分配策略。门控配置必须根据系统状态实时变化，这个时候就需要OS在软件层面做重配，并通过驱动下发到TSN IP核的队列。这就涉及到2个要点：
1、任务从OS到硬件队列这条路线的时间越短越好。如图2所示，Linux的任务经常横跨用户空间和内核，包括协议栈、skb缓冲、驱动等，每一层都可能产生延迟和不可预测的抖动。而RTOS路径短，任务通过协议栈直接访问驱动、驱动直接写硬件寄存器，整个链路几乎是一条直通链，没有用户态/内核态切换带来的延迟。
图2：Linux与RTOS任务下发对比
2、调度时间片需要匹配GCL。TSN的GCL是区别其他确定性以太网的核心所在，TSN IP核的GCL时隙通常在10–100微秒。图3展示了Linux与RTOS的任务调度对比，Linux本身的最小调度时间片普遍在1ms以上，即便打了RT补丁，也很难稳定到500µs以下；而RTOS的调度时间片完全可以做到100微秒甚至10微秒，这就与TSN的 GCL时隙（10–100微秒）匹配上了，确定性就更有保障。
图3：Linux与RTOS任务调度对比
我们团队在 Zephyr RTOS 上完成了Xilinx TSN协议栈的完整移植，整个过程可归纳为以下三步：
第一步，TSN驱动移植，确保硬件能够正确地与RTOS交互。我们需要将图4中TSN相关的模块与硬件驱动（DMA，MAC、PHY）等移植到RTOS。这是最基础的一步，确保硬件层能够稳定运行。
图4：TSN核心驱动
第二步，将时间同步机制与RTOS结合，以支持TSN的精准时间同步要求。图5展示了Zephyr RTOS的时间同步框架。在协议层，Zephyr网络子系统提供了对gPTP协议栈的支持，能够处理时间同步消息并传递时间戳信息。在硬件及驱动层，TSN PTP驱动与TSN IP硬件时间戳配合工作，利用硬件级的时间戳生成和同步，确保数据包的精确时间标记。
图5：Zephyr RTOS时间同步框架
第三步，将RTOS的网络协议栈与TSN的核心协议融合，确保RTOS支持TSN的关键特性，包括优先级调度、VLAN标记和优先级映射等。如图8所示，我们对RTOS的网络协议栈做了以下修改：
图6：RTOS网络协议栈针与TSN协议的融合
最后，我们在图7所示的硬件平台（Xilinx Zynq 7020板卡）及一致的测试条件下，对比了Zephyr RTOS 与 Linux 下的PTP时间同步性能。
图7：硬件测试平台
图8为Linux PTP与Zephyr RTOS时间同步的对比图，结果显示：Zephyr RTOS 的时钟同步漂移稳定在10纳秒范围内，而LinuxPTP的同步误差则常出现几十至上百纳秒的波动。
图8：LinuxPTP与Zephyr RTOS时间同步对比
此外，实验室还展示了近年来在TSN方向发表的系列研究成果，涵盖TSN协议建模、跨域性能评估、调度优化、容错机制设计等多个方面，多篇论文发表于ACM/IEEE等国际顶级会议与期刊。
Libing Deng, Guoqi Xie, Hong Liu, Yunbo Han, Renfa Li, Keqin Li “A Survey of Real-Time Ethernet Modeling and Design Methodologies: from AVB to TSN,” ACM Computing Surveys (CSUR), 55(2), No. 31: 1–36, 2023.（ESI高被引）
Wenhong Ma, Xiaoyi Huang, Renfa Li, Yunfei Zhang, Guoqi Xie, Wanli Chang, “Brief Industry Paper: Response Time Evaluation of Cross-Domain Communication in CAN-FD and TSN,” 44th IEEE Real-Time Systems Symposium (RTSS), 2023. （CCF A）
Wenhong Ma, Xiangzhen Xiao, Guoqi Xie, Nan Guan, Yu Jiang, Wanli Chang, “Fault Tolerance in Time-Sensitive Networking with Mixed-Critical Traffic,” 60th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC), 2023. （CCF A）
Libing Deng, Gang Zeng, Ryo Kurachi, Fei Peng, Renfa Li, Guoqi Xie, “Design Synthesis and Optimization Strategy for Low Delay and High Bandwidth Utilization in Time-Sensitive Networking,” IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD), 44(1): 91 - 104, 2025. （CCF A）
Zhongjia Wang, Guoqi Xie, Dongsheng Wei, Yunfei Zhang, Yixue Lei, Yuhang Jia, Mingsong Chen, Wanli Chang, Kenli Li, “MobiPTP: Mobile Precision Time Protocol for Ubiquitous Communication Scenarios,” IEEE/ACM Transactions on Networking (ToN), DOI: 10.1109/TON.2025.3574712, 2025. （CCF A）
Dongsheng Wei, Bin Fu, Zhongjia Wang,Xuejun Yu,Yixue Lei,Hui Zheng,Xinzhong Liu, Guoqi Xie, “refinedTS: Refined Time Synchronization for Cross-Domain CAN-TSN Communication,” IEEE/ACM Transactions on Networking (ToN), DOI: 10.1109/TON.2025.3612259, 2025. （CCF A）
Dongsheng Wei, Bin Fu, Wenyan Yan, Yixue Lei, Hui Zheng, Xinzhong Liu, Guoqi Xie, “DC-GCL: Dynamically Configurable Gate Control List in Automotive TSN Switch for ADAS,” IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD), DOI: 10.1109/TCAD.2025.3592592, 2025. （CCF A）
Guoqi Xie, Yao Zhang, Nan Chen, Wanli Chang, “A High-Flexibility CAN-TSN Gateway with a Low-Congestion TSN-to-CAN Scheduler,” IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD), 42(12): 5072 - 5083, 2023.（CCF A）
