利用IEEE 1588和Blackfin嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)設(shè)備時(shí)鐘同步

簡(jiǎn)介

IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)誕生于2002年，主要定義網(wǎng)絡(luò)分布式時(shí)鐘的同步協(xié)議。測(cè)試與測(cè)量、電信和多媒體流處理等許多不同應(yīng)用，都開始首選這種時(shí)鐘同步方法。這種標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)鐘同步法成本效益高，支持異構(gòu)系統(tǒng)，并可提供納秒級(jí)同步精度。

本文介紹原版IEEE 1588-2002標(biāo)準(zhǔn)以及更新版本IEEE 1588-2008中的改進(jìn)內(nèi)容。由于IEEE 1588在一些目標(biāo)應(yīng)用中越來越重要，因此ADSP-BF518 Blackfin嵌入式處理器中也集成專用硬件來支持IEEE 1588。本文將概要介紹其功能，并通過一個(gè)示例來展示利用ADSP-BF518處理器解決方案獲得的時(shí)鐘同步性能結(jié)果。

現(xiàn)在幾點(diǎn)了？

大多數(shù)系統(tǒng)都需要利用本振來維護(hù)自己的時(shí)間概念。圖1顯示硬件和軟件如何組合，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生時(shí)間信息。

圖1. 本地計(jì)時(shí)

系統(tǒng)內(nèi)的硬件和軟件資源均可使用此時(shí)間信息。對(duì)于硬件，振蕩器時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)物理時(shí)鐘信號(hào)（時(shí)鐘輸出），并可利用這些時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)系統(tǒng)的其它部分。軟件中維護(hù)的時(shí)間通常稱為“系統(tǒng)時(shí)間”。系統(tǒng)時(shí)間可以用時(shí)鐘脈沖數(shù)或秒/納秒的形式表示。系統(tǒng)軟件利用振蕩器時(shí)鐘脈沖數(shù)及其頻率信息得出時(shí)間，并提供“應(yīng)用程序編程接口”(API)函數(shù)，軟件的其它部分可以使用這些函數(shù)檢索并設(shè)置時(shí)間。如果需要絕對(duì)時(shí)間，則所提供的時(shí)間將與預(yù)定義時(shí)間點(diǎn)，即基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。

時(shí)鐘同步

許多應(yīng)用要求兩臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備以同步方式工作。如果每臺(tái)設(shè)備僅依靠自己的振蕩器，則各振蕩器的特性與工作條件差異將會(huì)限制時(shí)鐘同步工作的能力。一些簡(jiǎn)單可行的解決方案可以克服這些限制，包括：

●所有設(shè)備共用一個(gè)物理振蕩器。這種方法僅對(duì)距離很近的分布式系統(tǒng)可行；高頻時(shí)鐘信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離可靠傳輸。

●所有設(shè)備均使用特性幾乎完全相同的振蕩器。由于很難獲得幾乎完全一樣的振蕩器，并確保性能不隨時(shí)間飄移，因此這種方法不可行。更重要的是，各振蕩器的工作條件并不相同。

●如果所有設(shè)備均通過一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）互連，則這些設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)交換時(shí)間消息，根據(jù)單個(gè)“主”時(shí)鐘動(dòng)態(tài)調(diào)整各自的時(shí)鐘。利用傳統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議——“網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議”(NTP)，系統(tǒng)中的每臺(tái)設(shè)備根據(jù)它從NTP時(shí)間服務(wù)器獲取的時(shí)間信息調(diào)整其時(shí)鐘。然而，該協(xié)議只能實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)同步精度。

IEEE 1588定義了一個(gè)新協(xié)議，能夠實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)同步精度。下面討論該標(biāo)準(zhǔn)如何實(shí)現(xiàn)這種水平的時(shí)鐘同步。

IEEE 1588有何作用

IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)定義了一種時(shí)間同步協(xié)議，適用于地理位置分散但通過某種通信技術(shù)（例如以太網(wǎng)）互連的設(shè)備。設(shè)備之間通過交換時(shí)序消息，從而保持相同的絕對(duì)系統(tǒng)時(shí)間（用秒和納秒表示）。

要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，一個(gè)直觀的方法是將一臺(tái)具有“最佳”（最精確）時(shí)鐘的設(shè)備指定為“主時(shí)鐘”設(shè)備，讓它向其它設(shè)備廣播其時(shí)間。其它設(shè)備將會(huì)調(diào)整各自的時(shí)間，與主時(shí)鐘所發(fā)送的時(shí)間保持一致。不過，這種解決方案也有幾點(diǎn)不足：

主時(shí)鐘設(shè)備無法以極短的間隔廣播時(shí)間，因此“從”時(shí)鐘設(shè)備必須使用自己獨(dú)立的“低劣”振蕩器，在主時(shí)鐘設(shè)備的兩次廣播之間插入時(shí)間點(diǎn)。這將導(dǎo)致主時(shí)鐘更新周期之間的同步精度下降。

廣播路徑難免存在延遲，延遲幅度取決于通信技術(shù)，例如物理信號(hào)沿導(dǎo)線從一臺(tái)設(shè)備傳輸至另一臺(tái)設(shè)備所需的時(shí)間。這種延遲會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大主時(shí)鐘與各從時(shí)鐘之間的失調(diào)。

主時(shí)鐘設(shè)備與各從時(shí)鐘設(shè)備之間的廣播路徑存在差異，這會(huì)進(jìn)一步降低各從時(shí)鐘設(shè)備之間的同步精度。

IEEE 1588要求通過測(cè)量路徑延遲，解決第二個(gè)和第三個(gè)問題。它還要求待調(diào)整的從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持步調(diào)一致，從而減輕第一個(gè)問題。如果可能，使用更小的廣播間隔和更高質(zhì)量的振蕩器，可以進(jìn)一步減輕第一個(gè)問題。

IEEE 1588如何測(cè)量通信延遲

IEEE 1588-2002定義了四種消息Sync、Followup、DelayReq和DelayResp，用來測(cè)量前向（主時(shí)鐘至從時(shí)鐘）和后向（從時(shí)鐘至主時(shí)鐘）路徑的通信延遲。更新版本IEEE 1588-2008還提供其它機(jī)制，新增三種消息：PdelayReq、PdelayResp和 PdelayRespFollowup來測(cè)量“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延遲”。

這些消息中，Sync、DelayReq、PdelayReq和PdelayResp是所謂“事件”消息，在離開和到達(dá)一臺(tái)設(shè)備時(shí)必須加上“時(shí)間戳”（記錄本地時(shí)間）。給分組加上時(shí)間戳的方法有兩種：

1.消息由軟件處理時(shí)出現(xiàn)軟件時(shí)間戳。通常出現(xiàn)在消息的接收/發(fā)送“中斷服務(wù)程序”(ISR)中，該時(shí)間戳為系統(tǒng)時(shí)間的當(dāng)前值。

2.消息實(shí)際到達(dá)或離開設(shè)備時(shí)出現(xiàn)硬件時(shí)間戳。該時(shí)間戳操作由硬件執(zhí)行，硬件會(huì)維護(hù)自己的連續(xù)時(shí)間信息。

兩種時(shí)間戳方法均為IEEE 1588所接受，但硬件時(shí)間戳的精度明顯更高，如下文所述。

主時(shí)鐘設(shè)備到從時(shí)鐘設(shè)備的延遲

消息Sync和Followup由主時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送，從時(shí)鐘設(shè)備負(fù)責(zé)接收這些消息，并計(jì)算主時(shí)鐘設(shè)備到從時(shí)鐘設(shè)備的通信路徑延遲。

圖2中，在時(shí)間點(diǎn)Tm1，主時(shí)鐘設(shè)備軟件讀取當(dāng)前本地系統(tǒng)時(shí)間（Tm1，軟件時(shí)間戳），將其插入Sync消息中，并送出該消息。該消息在稍后的時(shí)間點(diǎn)Tm1＇離開主時(shí)鐘設(shè)備，該時(shí)間點(diǎn)為硬件時(shí)間戳。該消息在時(shí)間點(diǎn)Ts1＇（從時(shí)鐘設(shè)備本地時(shí)間）到達(dá)從時(shí)鐘硬件，從時(shí)鐘設(shè)備軟件在稍后的時(shí)間點(diǎn)Ts1收到該消息。該軟件將讀取硬件時(shí)間戳以獲得Ts1＇。如果沒有通信延遲，Ts1＇應(yīng)等于(Tm1＇ + Tms)，其中Tms為主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)間差。該協(xié)議的最終目標(biāo)是補(bǔ)償此時(shí)間差。

　圖2. 測(cè)量主時(shí)鐘設(shè)備與從時(shí)鐘設(shè)備之間的通信延遲

發(fā)送Sync消息之后，主時(shí)鐘設(shè)備軟件通過時(shí)間戳單元讀取Sync消息的離開時(shí)間Tm1＇，將其插入Followup消息中，然后在時(shí)間點(diǎn)Tm2發(fā)送該消息。從時(shí)鐘設(shè)備軟件在時(shí)間點(diǎn)Ts2收到此消息。此時(shí)，從時(shí)鐘設(shè)備軟件有兩個(gè)時(shí)間：Ts1＇（Sync到達(dá)時(shí)間）和Tm1＇（Sync離開時(shí)間）。主從路徑延遲Tmsd由公式1確定。

(1)

從時(shí)鐘設(shè)備到主時(shí)鐘設(shè)備的延遲

從時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送DelayReq消息，主時(shí)鐘設(shè)備予以響應(yīng)發(fā)送DelayResp消息。利用這些消息，從時(shí)鐘設(shè)備可以計(jì)算從時(shí)鐘設(shè)備到主時(shí)鐘設(shè)備的通信路徑延遲。

在時(shí)間點(diǎn)Ts3（圖3），從時(shí)鐘設(shè)備軟件讀取當(dāng)前本地系統(tǒng)時(shí)間（Ts3），將其插入DelayReq消息中，并送出該消息。

圖3. 測(cè)量從主通信延遲