基于ARM9200體系的IEEE 1588硬件實(shí)現(xiàn)

戴 輝，涂 岸

(1.貴州大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

在通信領(lǐng)域，“同步”概念是指頻率的同步，即網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位同步，其誤差應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，在通信網(wǎng)中，頻率和相位同步問(wèn)題已經(jīng)基本解決，而時(shí)間的同步還沒(méi)有得到很好的解決。

在早期，通信系統(tǒng)負(fù)載較低，對(duì)時(shí)間的同步精度也較低，一般的GPS和NTP方式的同步[2]就可以滿(mǎn)足ms級(jí)別同步要求，但是隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，特別是3G技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的同步方式越來(lái)越不能滿(mǎn)足同步要求。2004年，安捷倫公司提出的 IEEE 1588[3-4]同步系統(tǒng)具有里程碑意義，它標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)同步開(kāi)始進(jìn)入次納秒精度領(lǐng)域。而2006年，國(guó)家半導(dǎo)體推出的DP83640芯片將IEEE 1588時(shí)間戳方案在硬件中首次實(shí)現(xiàn)，使次納秒級(jí)別網(wǎng)絡(luò)同步精度實(shí)現(xiàn)變?yōu)榭赡堋?/p>

1 IEEE 1588實(shí)現(xiàn)原理

IEEE 1588，即精密時(shí)間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)由安捷倫于2004年提出，是為了克服以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性不足而規(guī)定的一種對(duì)時(shí)機(jī)制。精密時(shí)間協(xié)議可以估算出數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲，并可獨(dú)立地估算設(shè)備時(shí)鐘偏差。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議的工作原理說(shuō)明如下[5-7]：

(1)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A發(fā)送一個(gè) PTP包給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 B，并記錄下數(shù)據(jù)包離開(kāi)A的時(shí)間，該時(shí)間戳為t1。

(2)當(dāng)此PTP包到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 B加上自己接收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為T(mén)S1。

(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A發(fā)送一個(gè)Follow Up消息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 B，通知 B時(shí)間 t1。

(4)當(dāng)此PTP包離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B時(shí)，并記錄下數(shù)據(jù)包離開(kāi)B的時(shí)間t2。

(5)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A接收到該響應(yīng)包時(shí)，加上一個(gè)新的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為T(mén)m2，整個(gè)同步過(guò)程如圖1所示。

(6)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A再發(fā)送Follow Up消息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B，通知 B時(shí)間 Tm2。

至此，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B己擁有足夠的信息來(lái)計(jì)算2個(gè)重要的參數(shù)：一是PTP數(shù)據(jù)包來(lái)回一個(gè)周期的時(shí)延，二是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B的時(shí)鐘差。于是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B能夠設(shè)定自己的時(shí)鐘與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A同步。

圖1 PTP時(shí)間同步示意圖

可以根據(jù)下面公式算出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備B之間的時(shí)間差和延時(shí)：

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1支持PTP協(xié)議嵌入式接口板設(shè)計(jì)

根據(jù)PTP協(xié)議框架，支持PTP協(xié)議的嵌入式接口板硬件框圖如圖2所示。

圖2 基于DP83640的接口板硬件框圖

DP83640高精度PHYTER收發(fā)器芯片內(nèi)置高精度IEEE 1588時(shí)鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時(shí)間標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送的信息包印上時(shí)間標(biāo)記。DP83640最大的特色在于將IEEE 1588高精度時(shí)間協(xié)議(PTP)功能設(shè)于芯片的物理層之內(nèi)，因此可以在最靠近網(wǎng)線(xiàn)的位置記錄時(shí)間標(biāo)記，而且分辨度達(dá)8 ns，不但可為系統(tǒng)提供最準(zhǔn)確的高精度控制功能，也確保采集回來(lái)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)最少的抖動(dòng)。

DP83640預(yù)載4個(gè)時(shí)鐘更新算法，用戶(hù)可以利用任何一個(gè)算法調(diào)節(jié)電路板上的PTP時(shí)鐘，而且偏差率保證不超過(guò) 10億分之一(即1ppb[8]的準(zhǔn)確度)。

DP83640也可與部分符合IEEE 1588規(guī)定的處理器搭配一起使用，為測(cè)試及測(cè)量?jī)x表等設(shè)備提供更準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步功能。其系統(tǒng)連接后時(shí)鐘關(guān)系圖如圖3所示。

2.2具體電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)電路主要包含如下部分：核心處理器ARM9200；存儲(chǔ)電路，其中包含了SDRAM和ROM兩部分的電路設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)接口電路，其中使用DP83640通過(guò)RMII接口總線(xiàn)與ARM9處理器相連，把PTP報(bào)文的時(shí)間戳信息和當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)發(fā)送給ARM9處理器，同時(shí)接收來(lái)自ARM9處理器的時(shí)鐘調(diào)整值來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘。DP83640通過(guò)RMII總線(xiàn)來(lái)獲取以太網(wǎng)報(bào)文比特流而不是直接從物理層獲取，從而實(shí)現(xiàn)10 Mb/s和100 Mb/s兩種速率的自適應(yīng)處理。

圖3 主從系統(tǒng)時(shí)鐘關(guān)系圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 PTP協(xié)議狀態(tài)機(jī)模塊

PTP協(xié)議狀態(tài)機(jī)主要負(fù)責(zé)管理設(shè)備上電時(shí)的初始化狀態(tài)、出現(xiàn)異常情況下的故障狀態(tài)、通常情況下的偵聽(tīng)狀態(tài)、主時(shí)鐘狀態(tài)、從時(shí)鐘狀態(tài)和未校準(zhǔn)狀態(tài)，以及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。

3.2最佳主時(shí)鐘選擇模塊

最佳主時(shí)鐘算法模塊主要用于選擇本地網(wǎng)絡(luò)中的最佳時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，同時(shí)決定本地時(shí)鐘應(yīng)處的狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)最佳主時(shí)鐘的方法包括兩個(gè)步驟：(1)從本地時(shí)鐘系統(tǒng)通信端口中選出一個(gè)質(zhì)量最好的同步報(bào)文；(2)根據(jù)上述結(jié)果，比較此時(shí)的主時(shí)鐘和本地時(shí)鐘屬性，決定本地設(shè)備PTP協(xié)議引擎所處的狀態(tài)。步驟(1)采用數(shù)據(jù)集比較算法模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，步驟(2)采用狀態(tài)決斷算法模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。該模塊定義了STATE_DECISION_ALGORITHM()函數(shù)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)的決斷和數(shù)據(jù)集的更新。在缺省數(shù)據(jù)集的層數(shù)是1或2的前提下，調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊來(lái)判定本地時(shí)鐘缺省數(shù)據(jù)集D0和較好時(shí)鐘Erbest的數(shù)據(jù)集哪個(gè)更好。

通過(guò)比較，如果是缺省數(shù)據(jù)集D0更好，則根據(jù)狀態(tài)決斷代碼 M1，調(diào)用函數(shù) CreateMasterClock()根據(jù)缺省數(shù)據(jù)集D0的屬性值來(lái)構(gòu)建主時(shí)鐘，并且將D0狀態(tài)更改為PTP_MASTER，這代表D0是目前最好的主時(shí)鐘；否則，調(diào)用函數(shù)CreateSlaveClock()，根據(jù)Erbest的屬性來(lái)構(gòu)建從時(shí)鐘，Erbest的狀態(tài)則是PTP_SLAVE。

在主時(shí)鐘的層數(shù)大于2的情況下，調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊，以對(duì)本地時(shí)鐘缺省數(shù)據(jù)集D0和最好時(shí)鐘Ebest進(jìn)行判定。通過(guò)比較，如果是缺省數(shù)據(jù)集 D0更好，則調(diào)用 CreateMasterClock()，根據(jù)狀態(tài)決斷代碼M2，根據(jù)缺省數(shù)據(jù)集D0的屬性值來(lái)構(gòu)建主時(shí)鐘，并且更改D0狀態(tài)為PTP_MASTER；否則，將調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊將Ebest與Erbest進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相同，根據(jù)狀態(tài)決斷代碼S1，根據(jù)Ebest的屬性來(lái)構(gòu)建從時(shí)鐘，更改Ebest狀態(tài)成PTP_SLAVE。如果經(jīng)過(guò)比較Ebest有更好的屬性值，則根據(jù)狀態(tài)決斷代碼 M3，根據(jù)Erbest的屬性來(lái)構(gòu)建從時(shí)鐘，并設(shè)置它的狀態(tài)為 PTP_SLAVE；否則，根據(jù)狀態(tài)決斷代碼 P2，根據(jù)Ebest的屬性來(lái)構(gòu)建主時(shí)鐘，改變它的狀態(tài)為PTP_MASTER。

最佳主時(shí)鐘選擇模塊示意圖如圖5所示。

圖5 最佳主時(shí)鐘選擇

3.3時(shí)鐘調(diào)整模塊

本地時(shí)鐘同步算法是PTP協(xié)議中十分關(guān)鍵的部分，主要用來(lái)調(diào)整本地時(shí)間，與主時(shí)鐘的基準(zhǔn)時(shí)間保持一致性。主時(shí)鐘被選擇出來(lái)后，就開(kāi)始調(diào)用同步報(bào)文發(fā)送函數(shù) PTP_Send_PTP_SYNC_MESSAGE()，構(gòu)造同步報(bào)文并對(duì)報(bào)文初始化，記錄發(fā)送出去的時(shí)間戳，再調(diào)用udp_send()將報(bào)文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送。

調(diào)用跟隨報(bào)文發(fā)送函數(shù)PTP_Send_PTP_FOLLOW_MESSAGE()，構(gòu)造跟隨報(bào)文并對(duì)報(bào)文初始化，記錄發(fā)送出去的時(shí)間戳，然后調(diào)用udp_send()將報(bào)文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送。

從時(shí)鐘udp_rcve()設(shè)置接收緩沖區(qū)分別先后接收了同步報(bào)文和跟隨報(bào)文，記錄下接收的時(shí)間打上時(shí)間戳，再調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_PROCESS()判斷接收的是哪種報(bào)文，如果是同步報(bào)文，則調(diào)用函數(shù) PTP_RECV_SYNC()，然后對(duì)報(bào)文解包，取出報(bào)文從主時(shí)鐘發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)間。如果是跟隨報(bào)文，則調(diào)用函數(shù) PTP_RECV_FOLLOWUP()對(duì)報(bào)文解包，取出報(bào)文從主時(shí)鐘發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)間。

在這個(gè)函數(shù)最后，調(diào)用了PTP_Send_Delay_Req()函數(shù)，它構(gòu)造延遲請(qǐng)求報(bào)文并對(duì)報(bào)文初始化，記錄發(fā)送出去的時(shí)間戳，然后調(diào)用udp_send()將報(bào)文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送；而主時(shí)鐘的緩沖區(qū)一旦有報(bào)文，則主時(shí)鐘立即調(diào)用udp_rcve()記錄下接收的時(shí)間打上時(shí)間戳，再調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_PROCESS()判斷接收的是哪種報(bào)文，如果是延遲請(qǐng)求報(bào)文，則函數(shù)PTP_RECV_DELAY_REQ()立 即 調(diào)用 PTP_Send_PTP_REQ_RESP()，從 時(shí)鐘根據(jù)收到的4個(gè)報(bào)文收發(fā)時(shí)間，計(jì)算出主從偏差，對(duì)自己的時(shí)間進(jìn)行校正。

整個(gè)程序流程如圖6所示。

4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

系統(tǒng)測(cè)試將兩片DP83640連接到1 Hz信號(hào)輸出，利用DP83640捕獲上升沿時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)，在Linux系統(tǒng)中，利用MII總線(xiàn)讀取DP83640時(shí)間戳寄存器，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明利用DP83640達(dá)到了10 ns級(jí)別的同步精度，完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖

IEEE 1588提供的時(shí)間同步在理想條件下(網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)稱(chēng))，能夠達(dá)到極高的同步精度，為通信系統(tǒng)同步建設(shè)提供了更完美的解決方案。

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