4. Sitara以太网子系统架构

在 TI Sitara 系列（如 AM64x、AM243x、AM62x）中，工业以太网能力并非由单一 MAC 提供，而是由两套互补的以太网子系统构成：CPSW3g（Common Platform Switch, 3rd generation Gigabit）与 ICSSG（Industrial Communications Subsystem Gigabit）。理解这两者的定位差异，是后续做 TSN 时间敏感网络配置、多队列调度和驱动裁剪的前提。

一、CPSW3g 与 ICSSG 的定位差异

CPSW3g 是 SoC 内部集成的通用千兆以太网交换机子系统，通常包含两个外部 MAC 端口（可接 PHY 或直接 RGMII/RMII），内部带有一个硬件交换引擎（switch fabric）、一个主机端口（Host Port，连接到 SoC 内部总线）以及一组 DMA 通道。它适合做标准以太网、VLAN 划分、多队列 QoS 和基础 TSN 特性（如基于优先级的调度）。

ICSSG 则是可编程工业通信子系统，内部包含两个 PRU（Programmable Real-time Unit）内核、两个千兆 MAC、以及专用的工业外设（如 IEP 定时器、MII_RT 实时接口）。ICSSG 的强项在于实时协议（EtherCAT、PROFINET IRT、EtherNet/IP）和精确时间同步，其 MAC 端口可以工作在“双端口独立 MAC”或“交换机模式”下。在 AM64x 上，典型配置是 CPSW3g 负责通用网络与 TSN，ICSSG 负责实时工业协议。

二、双端口 MAC 与交换机模式

CPSW3g 的两个外部端口（Port 1、Port 2）在硬件上是对等的，可以各自独立连接 PHY，也可以组成交换机。当工作在交换机模式时，两个外部端口之间的帧转发由硬件交换引擎完成，不需要 CPU 参与；主机端口（Port 0）则用于 CPU 收发帧。这种模式下，SoC 相当于一个三端口交换机：两个对外，一个对内。

交换机模式的关键配置点是 ALE（Address Lookup Engine）。ALE 负责学习 MAC 地址、维护转发表、执行 VLAN 过滤和优先级映射。ALE 表项可以配置为“动态学习”或“静态固定”，在工业场景中，为了确定性，常把关键设备的 MAC 地址静态写入 ALE，避免学习过程带来的抖动。

三、VLAN 与优先级队列

CPSW3g 支持 802.1Q VLAN，每个端口可以配置 PVID（Port VLAN ID）和成员集。接收帧时，ALE 根据 VLAN 标签和端口成员关系决定是否转发；发送时，可以根据 VLAN 优先级（PCP，3 bit）映射到不同的发送队列。

CPSW3g 提供 8 个发送队列（TX Queue 0~7）和 8 个接收队列（RX Queue 0~7）。优先级映射通过 CPSW_PN_REG_PRI_CIR 等寄存器或 Linux 的 tc 工具配置。例如，把 PCP=7 的帧映射到 TX Queue 7，PCP=0 映射到 TX Queue 0，这样高优先级流量可以优先出队。在 TSN 场景中，这 8 个队列进一步与 802.1Qbv 时间门控、802.1Qav 信用整形配合，形成确定性的调度。

四、DMA 描述符与数据通路

CPSW3g 的数据搬运由 CPPI（Common Port Peripheral Interface）DMA 完成。每个数据包对应一个描述符（Descriptor），描述符中包含：数据缓冲区指针、包长度、端口号、VLAN 信息、校验和状态、以及“所有权位”（Owner bit）。Owner bit 是软件与硬件之间的握手信号：当 Owner=1 时表示描述符归硬件所有，软件不能碰；当硬件处理完把 Owner 清 0，软件才能回收。

描述符以链表形式组织，分为发送描述符环和接收描述符环。发送时，驱动把帧填入缓冲区，设置 Owner=1，然后写 CPSW 的 TX 触发寄存器，硬件自动读取描述符并发送。接收时，硬件把收到的帧写入缓冲区，更新描述符状态，产生中断，驱动从接收环中取出描述符并交给协议栈。

五、中断与 NAPI 机制

CPSW3g 的中断源包括：RX 完成、TX 完成、ALE 事件、统计溢出等。在 Linux 驱动中，为了兼顾吞吐和延迟，采用 NAPI（New API）机制：中断处理函数只做最小工作（关闭 RX 中断、调度 NAPI poll），真正的收包在软中断上下文中以轮询方式批量处理。这样在高流量下可以避免“中断风暴”，同时保持低延迟。

具体流程是：硬件收到帧 → 产生 RX 中断 → 中断处理函数调用 napi_schedule() → 软中断中执行 cpsw_rx_poll() → 轮询接收描述符，批量交给 netif_receive_skb() → 处理完一定数量或环空后，重新使能 RX 中断。TX 方向通常采用“发送完成中断 + 清理描述符”的方式，也可以配置为轮询清理。

六、驱动初始化流程分析

以 Linux 内核中的 cpsw_new 驱动（drivers/net/ethernet/ti/cpsw_new.c）为例，初始化大致分为以下阶段：

1. Probe 阶段：匹配设备树 compatible，获取寄存器基地址、时钟、中断号、PHY 句柄等资源。
2. 硬件复位与时钟使能：复位 CPSW 子系统，使能各模块时钟，配置 CTRL 寄存器中的 RGMII 延迟等。
3. ALE 初始化：清空 ALE 表，配置端口默认 VLAN、未知帧处理策略（转发/丢弃）。
4. DMA 与描述符环分配：为每个 RX/TX 通道分配描述符内存（通常用 dma_alloc_coherent），初始化描述符链表，写入 CPSW 的 CPPI 寄存器。
5. 中断注册与 NAPI 初始化：注册 RX/TX 中断处理函数，调用 netif_napi_add() 注册 NAPI 实例。
6. PHY 连接与链路建立：通过 MDIO 扫描 PHY，配置速率、双工、自协商，注册 phy_connect 回调。
7. 注册网络设备：调用 register_netdev()，使能端口，启动队列。

在设备树中，CPSW3g 节点通常包含 compatible = "ti,am64-cpswxg-nuss"、两个 ethernet-ports 子节点、mdio 子节点以及 interrupts 属性。ICSSG 的节点则包含 compatible = "ti,am64-icssg-prueth"，并引用 PRU 固件。理解这些节点与驱动阶段的对应关系，是排查“网口不 up”“收包丢包”“VLAN 不通”等问题的基础。

从图中可以看到，CPSW3g 的数据通路是“外部 MAC → 交换引擎/ALE → 主机端口 → DMA 描述符环 → 中断/NAPI → 协议栈”。驱动初始化的七个阶段则对应硬件从复位到可用的完整过程。实际调试时，如果网口无法 up，优先检查第 2 步（时钟/复位）和第 6 步（PHY 链路）；如果收包丢包严重，优先检查第 4 步（描述符环大小）和第 5 步（NAPI 预算与中断合并）。

最后需要强调：CPSW3g 与 ICSSG 虽然都提供双端口 MAC，但它们的寄存器模型、DMA 机制和驱动框架完全不同。CPSW3g 走标准 Linux 网络驱动路径（netdev + NAPI + PHY 框架），而 ICSSG 的 PRU 固件需要单独加载，其以太网功能往往通过 remoteproc 和专用固件实现。在做 TSN 工程时，通常把时间敏感流量放在 CPSW3g 的优先级队列上，把实时工业协议放在 ICSSG 上，两者通过 SoC 内部总线协同工作。