發布日期：2022-04-26 點擊率：37
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【導讀】IEEE 1588標準誕生于2002 年，主要定義網絡分布式時鐘的同步協議。測試與測量、電信和多媒體流處理等許多不同應用，都開始首選這種時鐘同步方法。這種標準化時鐘同步法成本效益高，支持異構系統，并可提供納秒級同步精度。
本文介紹原版 IEEE 1588-2002 標準以及更新版本 IEEE 1588-2008 中的改進內容。由于IEEE 1588 在一些目標應用中越來越重要，因此 ADSP-BF5181 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，并通過一個示例來展示利用ADSP-BF518 處理器解決方案獲得的時鐘同步性能結果。
現在幾點了？
大多數系統都需要利用本振來維護自己的時間概念。圖1顯示硬件和軟件如何組合，在系統內產生時間信息
圖1. 本地計時
系統內的硬件和軟件資源均可使用此時間信息。對于硬件，振 蕩器時鐘會產生一個或多個物理時鐘信號（時鐘輸出），并可 利用這些時鐘信號驅動或觸發系統的其它部分。軟件中維護的 時間通常稱為"系統時間"。系統時間可以用時鐘脈沖數或秒 / 納秒的形式表示。系統軟件利用振蕩器時鐘脈沖數及其頻率 信息得出時間，并提供"應用程序編程接口" (API) 函數，軟 件的其它部分可以使用這些函數檢索并設置時間。如果需要絕 對時間，則所提供的時間將與預定義時間點，即基準時間點相 關聯.
時鐘同步
許多應用要求兩臺獨立的設備以同步方式工作。如果每臺設備 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 限制時鐘同步工作的能力。一些簡單可行的解決方案可以克服 這些限制，包括：
● 所有設備共用一個物理振蕩器.這種方法僅對距離很近的分
● 所有設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
● 如果所有設備均通過一個通信網絡（例如以太網）互連，則這些設備可以通過網絡交換時間消息，根據單個"主"時鐘 動態調整各自的時鐘。利用傳統的時間同步協議—— "網絡 時間協議"(NTP)，統中的每臺設備根據它從 NTP時間服 務器獲取的時間信息調整其時鐘。然而，該協議只能實現毫 秒級同步精度。
IEEE 1588 定義了一個新協議，能夠實現納秒級同步精度。下 面討論該標準如何實現這種水平的時鐘同步。
IEEE 1588 有何作用
IEEE 1588 標準定義了一種時間同步協議，適用于地理位置分 散但通過某種通信技術（例如以太網）互連的設備。設備之間 通過交換時序消息，從而保持相同的絕對系統時間（用秒和納 秒表示）。
要實現此目標，一個直觀的方法是將一臺具有"最佳"（最精 確）時鐘的設備指定為"主時鐘"設 備，讓它向其它設備廣播 其時間。其它設備將會調整各自的時間，與主時鐘所發送的時 間保持一致。不過，這種解決方案也有幾點不足:
1. 主時鐘設備無法以極短的間隔廣播時間，因此"從"時鐘設備必須使用自己獨立的"低劣"振蕩器，在主時鐘設備
2. 廣播路徑難免存在延遲，延遲幅度取決于通信技術，例如物理信號沿導線從一臺設備傳輸至另一臺設備所需的時 間。這種延遲會進一步擴大主時鐘與各從時鐘之間的失
3. 主時鐘設備與各從時鐘設備之間的廣播路徑存在差異，這會進一步降低各從時鐘設備之間的同步精度。
IEEE 1588 要求通過測量路徑延遲，解決第二個和第三個問 題。它還要求待調整的從時鐘與主時鐘保持步調一致，從而減 輕第一個問題。如果可能，使用更小的廣播間隔和更高質量的 振蕩器，可以進一步減輕第一個問題
IEEE 1588 如何測量通信延遲
IEEE 1588-20022 定義了四種消息 Sync、 Followup、 DelayReq和 DelayResp，用來測量前向（主時鐘至從時鐘）和后向（從 時鐘至主時鐘）路徑的通信延遲。更新版本IEEE 1588-2008,3 還提供其它機制，新增三種消息 PdelayReq、PdelayResp和PdelayRespFollowup，來測量"點對點延遲"。
這些消息中，Sync、DelayReq、PdelayReq 和PdelayResp 是所謂"事件"消息，在離開和到達一臺設備時必須加上"時間 戳"（記錄本地時間）。給分組加上時間戳的方法有兩種
1. 消息由軟件處理時出現軟件時間戳。通常出現在消息的接收/發送"中斷服務程序"(ISR)中，該時間戳為系統時間的當前值。
2. 消息實際到達或離開設備時出現硬件時間戳。該時間戳操作由硬件執行，硬件會維護自己的連續時間信息。
兩種時間戳方法均為IEEE 1588 所接受，但硬件時間戳的精度明顯更高，如下文所述。
主時鐘設備到從時鐘設備的延遲
消息Sync 和Followup 由主時鐘設備發送，從時鐘設備負責接 收這些消息，并計算主時鐘設備到從時鐘設備的通信路徑延遲.
圖2 中，在時間點 Tm1，主時鐘設備軟件讀取當前本地系統 時間（Tm1，軟件時間戳），將其插入 Sync 消息中，并送出 該消息。該消息在稍 后的時間點 Tm1'''' 離開主時鐘設備，該時 間點為硬件時間戳。該消息在時間點 Ts1'''' （從時鐘設備本地時間）到達從時鐘硬件，從時鐘設備軟件在稍后的時間點 Ts1 收到該消息。該軟件將讀取硬件時間戳以獲得 Ts1''''。如果沒有通 信延遲，Ts1'''' 應等于(Tm1'''' + Tms)，其中 Tms 為主時鐘與從時 鐘之間的時間差。該協議的最終目標是補償此時間差.
圖 2. 測量主時鐘設備與從時鐘設備之間的通信延遲
發送 Sync 消息之后，主時鐘設備軟件通過時間戳單元讀取 Sync 消息的離開時間 Tm1'''' ，將其插入 Followup 消息中，然后 在時間點 Tm2 發送該消息。從時鐘設備軟件在時間點 Ts2 收 到此消息。此時，從時鐘設備軟件有兩個時間： Ts1'''' （ Sync 到 達時間）和 Tm1'''' （ Sync 離開時間）。主從路徑延遲 Tmsd 由 公式 1 確定。
(1)
從時鐘設備到主時鐘設備的延遲ce
從時鐘設備發送 DelayReq 消息，主時鐘設備予以響應發送 DelayResp 消息。利用這些消息，從時鐘設備可以計算從時鐘 設備到主時鐘設備的通信路徑延遲.
在時間點 Ts3 （圖 3 ），從時鐘設備軟件讀取當前本地系統時 間 (T s3) ，將其插入 DelayReq 消息中，并送出該消息。發送該 消息之后，從時鐘設備軟件讀取時間戳以獲取消息離開時間 Ts3'''' ，并等待主時鐘設備的響應。
圖 3. 測量從主通信延遲
DelayReq 消息在稍后的時間點 Tm3'''' 到達主時鐘設備，由主時 鐘設備軟件在時間點 Tm3 處理。然后，該軟件讀取時間戳以 獲取到達時間 Tm3'''' ，將其插入 DelayResp 消息中，并在時間 點 Tm4 發送至從時鐘設備。當從時鐘設備軟件在時間點 Ts4 收到 DelayResp 消息時，它可以提取時間 Tm3'''' ，并通過公式 2 計算從主通信延遲 Tsmd 。
(2)
公式 1 和公式 2 中均有一個未知變量，即主從時間差 Tms ，因 此無法單獨求得 Tmsd 或 Tsmd 。但是，如果我們合理地假設 通信路徑是對稱的，即
(3)
——這是IEEE 1588 成立的關鍵假設——那么，將公式1 與公式 2 相加可以得出
(4)
由于從時鐘設備尋求與主時鐘設備同步，因此所有這些計算 均由這些設備執行。從時鐘設備從主時鐘設備的 Followup 消 息獲得 Tm1'''' ，從其 Rx （接收）時間戳獲得 Ts1'''' ，從其 Tx （發 送）時間戳獲得 Ts3'''' ，并通過主時鐘設備的 DelayResp 消息獲 得 Tm3''''.
如何計算從時鐘與主時鐘的時間差
一旦獲得通信路徑延遲 Td ，便可利用公式 1 或公式 2 輕松計 算從時鐘與主時鐘的時間差，如公式 5 和公式 6 所示
(5)
(6)
如何調整從時鐘設備的時間
知道與主時鐘的時間差之后，各從時鐘需要調整自己的本地時 間，與主時鐘保持一致。該任務包括兩方面。第一，從時鐘設 備需要加上時間差以調整絕對時間，使其時間在此刻與主時鐘 時間完全一致。第二，從時鐘設備需要調整各自的時鐘頻率， 與主時鐘的頻率保持一致。我們不能單靠絕對時間，因為時間 差僅在一定期間內應用，可能是正值，也可能是負值；調整的 結果是從時鐘時間向前跳躍或向后倒退。因此，在實際操作 中，調整分兩步執行:
1. 如果時間差過大，例如
2. 如果時間差較小，則使從時鐘的頻率改變某一百分比.
一般而言，該系統會變成一個控制環路，其中主時鐘時間是參 考命令，而從時鐘時間是跟蹤主時鐘時間的輸出，二者之差驅 動可調整時鐘。可以使用 PID 控制來實現特定跟蹤性能，這 是許多 IEEE 1588 實施方案常用的方法。圖 4 顯示了這種控制環路.
圖 4. IEEE 1588 控制環路.
點對點延遲
修訂版 IEEE 1588-2008 引入了新的機制來測量路徑延遲，稱 為"點對點" (P2P) 延遲。與之相比，上文討論的主從機制則 是"端對端" (E2E) 延遲。在支持 IEEE 1588-2008 的網絡中， 主時鐘設備可以與從時鐘設備直接相連，或者隔幾個中繼站 （級）相連。 E2E 延遲實際上是主時鐘設備到從時鐘設備的 "總"延遲，包括其間的所有中繼站在內。但是， P2P 延遲則 僅限于兩個直接相連的設備。通信路徑的總延遲等于所有中繼 站的 P2P 延遲之和。從確保路徑對稱性的角度看， P2P 機制可 提供更高的精度.
如上文所述， IEEE 1588-2008 新增了 PdelayReq 、 PdelayResp 和 PdelayRespFollowup 三種消息來測量 P2P 延遲。這些消息 的工作方式與上文所述方式相似，詳情請看參考文獻3。
影響同步性能的因素
精心 設計的 IEEE 1588 設備能夠實現高度精確的時鐘同步，但 也必須了解直接影響同步性能的主要因素，其中包括：
1. 路徑延遲: 如上文所述， IEEE 1588 的路徑延遲測量假設通 信路徑延遲是對稱的，即前向路徑的傳輸延遲與后向傳輸 延遲相同。此外，在延遲測量期間，延遲不應變化。測量 期間延遲變化會導致不對稱和延遲抖動，這將直接影響同 步精度。雖然無法在 IEEE 1588 設備的邊界之外控制延遲對 稱性和抖動，但如果測量基于硬件時間戳，則可在設備內 改善路徑對稱性和抖動。由于中斷延時、環境切換和線程 調度，軟件時間戳會導致明顯的抖動，而硬件時間戳則不
2. 時鐘的漂移和抖動特性：: 主時鐘的頻率和相位代表跟蹤控 制系統的輸入，從時鐘則是控制對象。主時鐘的任何時變 行為都會擾動該控制系統，導致穩態和瞬態兩種誤差。因
3. 控制法則: 從時鐘調整如何校正從時鐘設備的時間誤 差取 決于控制方法。控制法則參數包括建立時間、過沖和穩態
4. 時鐘分辨率: 如圖 1 所示，本地時間的分辨率由時鐘頻率 決定；最小時間增量為時鐘信號的一個周期。 IEEE 1588- 2002 支持 1 ns 的時間分辨率， IEEE 1588-2008 則支持 2 -16 ns 的時間分辨率。 2 16 (!) GHz （甚至 1 GHz ）的時鐘是不 現實的。本地時鐘的量化會影響本地時間測量和控制的精
5. Sync 消息的發送周期: 從時鐘的更新頻率最終會影響同步 精度。因為時間誤差是從時鐘頻率誤差的整體累積值，所 以發送周期越長，下一個 Sync 所觀察到的時間誤差一般會
6. 延遲測量的頻率: 以預期相鄰采樣點之間延遲沒有明顯變 化的間隔時間，定期執行延遲測量。如果 IEEE 1588 網絡 的延遲變化較大，則增加延遲測量頻率可以改善時鐘同步 性能。
哪個是主時鐘？
在考慮如何精確確 定主時鐘設備與從時鐘設備之間的時間差之 后，下一個相關問題是：在成百上千臺互連設備中，如何確定 哪一臺設備充當主時鐘。
IEEE 1588 定義了一種稱為"最佳主時鐘" (BMC) 算法的方 法，用于選擇主時鐘設備。這種方法要求 IEEE 1588 網絡的每 臺設備均提供一個數據集，描述其本地時鐘的性質、質量、穩 定性、唯一識別符和首選設置。當一臺設備加入 IEEE 1588 網 絡時，它會廣播其時鐘的數據集，并接收所有其它設備的數據 集。利用所有參與設備的數據集，每臺設備均運行同一 BMC 算法，以確定主時鐘及其自己的未來狀態（主時鐘或從時 鐘）。由于所有設備均采用同樣的數據獨立執行同一算法，因 此結論將會相同，設備之間不需要進行任何協商。有關 BMC 算法的更多詳細信息，請看參考文獻 2 和 3 。
ADSP -BF51 8 處理器支持 IEEE 1588
ADI 公司 Black fi n DSP 系列最近新增一款產品： ADSP-BF518 處理器。像前款產品 ADSP-BF537,4 該處理器內置"以 太網媒體訪問控制器" (EMAC) 模塊。它還具有 TSYNC 模 塊，進一步擴展了支持 IEEE 1588 標準 EMAC 功能的能力； 還提供其它額外特性，可支持以太網的各種 IEEE 1588 應用。 圖 5 顯示了 TSYNC 模塊的框圖。 ADSP-BF51x Blackfin 處理 器硬件參考提供了更多信息5
圖 5. ADSP-BF518 處理器 TSYNC 模塊的框圖。
分組檢測
ADSP-BF518 處理器可以檢測 IEEE 1588 的所有事件消息，包 括送入和送出的分組，并為其提供硬件時間戳。因為事件消息 時間戳的精度及其提取位置會影響路徑延遲的對稱性和穩定 性要求，所以 IEEE 1588 系統的精度在很大程度上取決于這二 者。 ADSP-BF518 的 TSYNC 模塊持續監控 MAC 控制器與以 太網"物理接口收發器" (PHY) 之間的硬件接口，即"媒體獨 立接口" (MII) ，并且只要檢測到事件消息，就會產生硬件時 間戳，這一功能可提高 ADSP-BF518 的同步精度。
事件消息檢測功能是可編程的，基本配置有兩種：支持 IEEE 1588-2002 （默認狀態）或支持 IEEE 1588-2008 。此外，這種 可編程能力還支持將來版本的 IEEE 1588 ，以及其它要求時間 戳的一般協議，包括配置為給進出處 理器的每個以太網分組加 上時間戳。
靈活的時鐘源
本地時鐘的屬性對于 IEEE 1588 系統的性能很重要。為了滿足 各種不同應用的要求， ADSP-BF518 處理器可提供三種本地時 鐘源選項：系統時鐘、外部時鐘或以太網時鐘。如果應用具有 特定時鐘要求，則可以選擇"外部時鐘"，并提供定制時鐘 源。如果主時鐘設備與從時鐘設備"背靠背"連接，由于"以 太網時鐘"來自以太網線路，而且兩臺設備采用同一時鐘工 作，因此該時鐘選項可以提供良好的精度。一般應用可以選擇 處理器的"系統時鐘"作為時鐘源。
所選源時鐘也由 TSYNC 模塊驅動，通過特定引腳 Clockout 作 為處理器輸出，系統的其它部分可利用該輸出提供本地時間信息。
PPS 輸出
"每秒脈沖" (PPS) 信號是時間信息的物理表示。它名義上是 一個 1-Hz 信號，在每個 1 秒轉換時間發出一個脈沖。它可用 來控制本地設備，或者在發生網絡故障時提供輔助時間通道。 它也可以 用于測試。兩臺設備的 PPS 信號之間的相位差是二 者時間偏移的物理量度
ADSP-BF518 處理器提供靈活的 PPS 輸出。它利用可編程"開 始時間" (PPS_ST) 和周期 (PPS_P) 產生一個在時間 (PPS_ST + n × PPS_P) 發出脈沖的信號，其中 n = 1, 2, 3 ...。基本用法是 將 PPS_P 設置為 1 秒，并將 PPS_ST 設置為用秒數表示的將來 任一時刻，從而產生 PPS 信號。參考基本用法，可以利用這 種 PPS 輸出功能產生具有可編程頻率和開始時間的周期性信號。
輔助快照
一些應用可能需要按照標志信號切換指示，給某一事件加上時 間戳。 ADSP-BF518 的 TSYNC 模塊通過輔助"快照" 功能， 使用一個專用引腳來接收外部標志，以便實現這種請求。切換 標志將觸發該模塊捕捉時間戳寄存器中的當前本地時間，供軟 件訪問。.
報警
如果應用需在特定時間執行一項任務，則可以用 TSYNC 模塊 的"報警"功能。這項功能可以設置本地絕對時間，到達該時 間時，就會觸發處理器中斷。然后，軟件便可利用中斷執行任 務。
可調時鐘
TSYNC 模塊的可調時鐘是一種"基于加數"的時鐘。如圖 6 所示，它獲得一個固定輸入時鐘信號，并輸出該輸入的"盜取 脈沖"版本信號：對于每個輸入時鐘，"加數"的值增加到累 加器中，并且每次累加器溢出時，進位位就會驅動"本地時間計數器"，從而產生以脈沖計數值表示的本地時間。更改加數 可以調整本地時鐘的頻率，因為加數決定累加器溢出的頻率， 從而決定本地時間計數器遞增的頻率。如果輸入時鐘的頻率為 Fin，且加數的值為A，則本地時鐘頻率為：
(7)
圖 6. 基于加數的可調時鐘
采用ADSP-BF518 處理器的 IEEE 1588 實施方案
ADSP-BF518 處理器上構建了一個完整的 IEEE 1588-2008 兼容系統，如圖 7 所示。
圖7. 采用ADSP-BF518 的 IEEE 1588 實施方案
處理器的 TSYNC 模塊檢測送入和送出的 IEEE 1588 消息， 并通過硬件給事件消息加上時間戳。由 I X X AT ( I X X AT Automation GmbH) 提供的 IEEE 1588 協議棧軟件可實現標準 所要求的消息交換協議。它利用 TSYNC 驅動程序讀取、寫 入并調整 TSYNC 時鐘，并使用 MAC 控制器驅動程序在以太 網 MAC 層（開放系統互連模型的第二層）發送和接收消息。它還可實現 P2P 延遲測量的控制法則和過濾。以太網 PHY 選擇具有低抖動延遲特性的 National Semiconductor DP838486。為簡明起見，TSYNC 模塊時鐘源選擇處理器的系統時鐘 (80 MHz)。
圖 8. ADSP-BF518 上 IEEE 1588 系統的從時鐘誤差直方圖
圖 8 是兩個完全相同的 ADSP-BF518 IEEE 1588 系統之間的 測量誤差直方圖，由此可看出該器件的時鐘同步性能。在 約 1700 秒的時間內共進行了 6938 次測量。最終平均誤差為0.015 ns，標準差為 12.96 ns。該測試所用的 Sync 消息間隔為0.25 秒。
結論
IEEE 1588 標準提供了一種高精度、低成本的分布式時鐘同步 方法。雖然 IEEE 1588 并未明文要求硬件支持，但硬件輔助 消息檢測和時間戳對于實現極高同步精度至關重要。 ADSP- BF518 為 IEEE 1588-2002 和 IEEE 1588-2008 提供硬件支 持，包括各種應用的支持功能。利用 ADSP-BF518 處理器和 IXXAT IEEE 1588-2008 協議軟件實施 IEEE 1588 技術，已證 明可以實現高精度時鐘同步。
參考電路
1 ADSP-BF518 數據手冊。 http://www.analog.com/en/products/processors-dsp/blackfin/adsp-bf518.html.
2IEEE Std. 1588-2002. 網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協 議 IEEE 標準。 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=1048550.
3IEEE Std. 1588-2008. 網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協 議 IEEE 標準。http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=4579760.
4ADSP-BF537 數據手冊。 http://www.analog.com/en/products/processors-dsp/blackfin/adsp-bf537.html.
5ADSP-BF51x Blackfin 處理器硬件參考，0.1 版（初始版）。 2009 年 1 月。 Analog Devices, Inc.http://www.analog.com/media/en/dsp-documentation/processor-manuals/ADSP-BF51x_hwr_rev1.2.pdf.
6AN-1507 ：DP83848 和 DP83849 100Mb 數據延時。 2006. National Semiconductor Corporation. http://www.ti.com/lit/an/snla084b/snla084b.pdf.
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