摘  要： 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)對網(wǎng)絡之間的同步精度越來越高，傳統(tǒng)的GPS方式以及NTP同步越來越不能滿足系統(tǒng)的發(fā)展。2004年，安捷倫公司提出PTP(IEEE 1588)同步方式，該方式能達到次納秒級精度，可滿足大型通信網(wǎng)絡要求。本文主要分析IEEE 1588的同步機制，并最終以AT91RM9200為核心實現(xiàn)IEEE 1588同步系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： IEEE 1588；ARM9200；DP83640；嵌入式系統(tǒng)

    在通信領域，“同步”概念是指頻率的同步，即網(wǎng)絡各個節(jié)點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合相關(guān)標準。目前，在通信網(wǎng)中，頻率和相位同步問題已經(jīng)基本解決，而時間的同步還沒有得到很好的解決。
    在早期，通信系統(tǒng)負載較低，對時間的同步精度也較低，一般的GPS和NTP方式的同步[2]就可以滿足ms級別同步要求，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)的同步方式越來越不能滿足同步要求。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，它標志著網(wǎng)絡同步開始進入次納秒精度領域。而2006年，國家半導體推出的DP83640芯片將IEEE 1588時間戳方案在硬件中首次實現(xiàn)，使次納秒級別網(wǎng)絡同步精度實現(xiàn)變?yōu)榭赡堋?br /> 1 IEEE 1588實現(xiàn)原理
    IEEE 1588，即精密時間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)由安捷倫于2004年提出，是為了克服以太網(wǎng)實時性不足而規(guī)定的一種對時機制。精密時間協(xié)議可以估算出數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡上的往返延遲，并可獨立地估算設備時鐘偏差。網(wǎng)絡時間協(xié)議的工作原理說明如下[5-7]:
    (1)現(xiàn)場設備A發(fā)送一個PTP包給現(xiàn)場設備B，并記錄下數(shù)據(jù)包離開A的時間，該時間戳為t₁。
    (2)當此PTP包到達現(xiàn)場設備B時，現(xiàn)場設備B加上自己接收到該數(shù)據(jù)包的時間戳，該時間戳為T_S1。
    (3)現(xiàn)場設備A發(fā)送一個Follow Up消息給現(xiàn)場設備B，通知B時間t₁。
    (4)當此PTP包離開現(xiàn)場設備B時，并記錄下數(shù)據(jù)包離開B的時間t₂。
    (5)當現(xiàn)場設備A接收到該響應包時，加上一個新的時間戳，該時間戳為T_m2，整個同步過程如圖1所示。

    (6)現(xiàn)場設備A再發(fā)送Follow Up消息給現(xiàn)場設備B，通知B時間T_m2。
    至此，現(xiàn)場設備B己擁有足夠的信息來計算2個重要的參數(shù):一是PTP數(shù)據(jù)包來回一個周期的時延，二是現(xiàn)場設備A和現(xiàn)場設備B的時鐘差。于是現(xiàn)場設備B能夠設定自己的時鐘與現(xiàn)場設備A同步。
    可以根據(jù)下面公式算出現(xiàn)場設備A與現(xiàn)場設備B之間的時間差和延時：
   
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 支持PTP協(xié)議嵌入式接口板設計
    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。

    DP83640高精度PHYTER收發(fā)器芯片內(nèi)置高精度IEEE 1588時鐘，并設有由硬件執(zhí)行的時間標記功能，可為接收及發(fā)送的信息包印上時間標記。DP83640最大的特色在于將IEEE 1588高精度時間協(xié)議(PTP)功能設于芯片的物理層之內(nèi)，因此可以在最靠近網(wǎng)線的位置記錄時間標記，而且分辨度達8 ns，不但可為系統(tǒng)提供最準確的高精度控制功能，也確保采集回來的數(shù)據(jù)出現(xiàn)最少的抖動。
    DP83640預載4個時鐘更新算法，用戶可以利用任何一個算法調(diào)節(jié)電路板上的PTP時鐘，而且偏差率保證不超過10億分之一(即1ppb[8]的準確度)。
    DP83640也可與部分符合IEEE 1588規(guī)定的處理器搭配一起使用，為測試及測量儀表等設備提供更準確的時鐘同步功能。其系統(tǒng)連接后時鐘關(guān)系圖如圖3所示。

2.2 具體電路設計
    系統(tǒng)實際設計電路主要包含如下部分：核心處理器ARM9200；存儲電路，其中包含了SDRAM和ROM兩部分的電路設計；網(wǎng)絡接口電路，其中使用DP83640通過RMII接口總線與ARM9處理器相連，把PTP報文的時間戳信息和當前時鐘讀數(shù)發(fā)送給ARM9處理器，同時接收來自ARM9處理器的時鐘調(diào)整值來調(diào)整本地時鐘。DP83640通過RMII總線來獲取以太網(wǎng)報文比特流而不是直接從物理層獲取，從而實現(xiàn)10 Mb/s和100 Mb/s兩種速率的自適應處理。
3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 PTP協(xié)議狀態(tài)機模塊
    PTP協(xié)議狀態(tài)機主要負責管理設備上電時的初始化狀態(tài)、出現(xiàn)異常情況下的故障狀態(tài)、通常情況下的偵聽狀態(tài)、主時鐘狀態(tài)、從時鐘狀態(tài)和未校準狀態(tài)，以及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。
3.2 最佳主時鐘選擇模塊
    最佳主時鐘算法模塊主要用于選擇本地網(wǎng)絡中的最佳時鐘作為主時鐘，同時決定本地時鐘應處的狀態(tài)。
    實現(xiàn)最佳主時鐘的方法包括兩個步驟：(1)從本地時鐘系統(tǒng)通信端口中選出一個質(zhì)量最好的同步報文；(2)根據(jù)上述結(jié)果，比較此時的主時鐘和本地時鐘屬性，決定本地設備PTP協(xié)議引擎所處的狀態(tài)。步驟(1)采用數(shù)據(jù)集比較算法模塊來實現(xiàn)，步驟(2)采用狀態(tài)決斷算法模塊來實現(xiàn)。該模塊定義了STATE_DECISION_ALGORITHM()函數(shù)來進行狀態(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模塊來判定本地時鐘缺省數(shù)據(jù)集D0和較好時鐘Erbest的數(shù)據(jù)集哪個更好。
    通過比較，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的屬性值來構(gòu)建主時鐘，并且將D0狀態(tài)更改為PTP_MASTER，這代表D0是目前最好的主時鐘；否則，調(diào)用函數(shù)CreateSlaveClock()，根據(jù)Erbest的屬性來構(gòu)建從時鐘，Erbest的狀態(tài)則是PTP_SLAVE。
    在主時鐘的層數(shù)大于2的情況下，調(diào)用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模塊，以對本地時鐘缺省數(shù)據(jù)集D0和最好時鐘Ebest進行判定。通過比較，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的屬性值來構(gòu)建主時鐘，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的屬性來構(gòu)建從時鐘，更改Ebest狀態(tài)成PTP_SLAVE。如果經(jīng)過比較Ebest有更好的屬性值，則根據(jù)狀態(tài)決斷代碼M3，根據(jù)Erbest的屬性來構(gòu)建從時鐘，并設置它的狀態(tài)為PTP_SLAVE；否則，根據(jù)狀態(tài)決斷代碼P2，根據(jù)Ebest的屬性來構(gòu)建主時鐘，改變它的狀態(tài)為PTP_MASTER。
    最佳主時鐘選擇模塊示意圖如圖5所示。

3.3 時鐘調(diào)整模塊
    本地時鐘同步算法是PTP協(xié)議中十分關(guān)鍵的部分，主要用來調(diào)整本地時間，與主時鐘的基準時間保持一致性。主時鐘被選擇出來后，就開始調(diào)用同步報文發(fā)送函數(shù)PTP_Send_PTP_SYNC_MESSAGE()，構(gòu)造同步報文并對報文初始化，記錄發(fā)送出去的時間戳，再調(diào)用udp_send()將報文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進行發(fā)送。
    調(diào)用跟隨報文發(fā)送函數(shù)PTP_Send_PTP_FOLLOW_MESSAGE()，構(gòu)造跟隨報文并對報文初始化，記錄發(fā)送出去的時間戳，然后調(diào)用udp_send()將報文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進行發(fā)送。
    從時鐘udp_rcve()設置接收緩沖區(qū)分別先后接收了同步報文和跟隨報文，記錄下接收的時間打上時間戳，再調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_PROCESS()判斷接收的是哪種報文，如果是同步報文，則調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_SYNC()，然后對報文解包，取出報文從主時鐘發(fā)送過來的時間。如果是跟隨報文，則調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_FOLLOWUP()對報文解包，取出報文從主時鐘發(fā)送過來的時間。
    在這個函數(shù)最后，調(diào)用了PTP_Send_Delay_Req()函數(shù)，它構(gòu)造延遲請求報文并對報文初始化，記錄發(fā)送出去的時間戳，然后調(diào)用udp_send()將報文打包并加入發(fā)送緩沖區(qū)進行發(fā)送；而主時鐘的緩沖區(qū)一旦有報文，則主時鐘立即調(diào)用udp_rcve()記錄下接收的時間打上時間戳，再調(diào)用函數(shù)PTP_RECV_PROCESS()判斷接收的是哪種報文，如果是延遲請求報文，則函數(shù)PTP_RECV_DELAY_REQ()立即調(diào)用PTP_Send_PTP_REQ_RESP()，從時鐘根據(jù)收到的4個報文收發(fā)時間，計算出主從偏差，對自己的時間進行校正。
    整個程序流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與結(jié)論
    系統(tǒng)測試將兩片DP83640連接到1 Hz信號輸出，利用DP83640捕獲上升沿時間戳實現(xiàn)，在Linux系統(tǒng)中，利用MII總線讀取DP83640時間戳寄存器，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

    實驗結(jié)果，表明利用DP83640達到了10 ns級別的同步精度，完成了系統(tǒng)的設計目標。
    IEEE 1588提供的時間同步在理想條件下(網(wǎng)絡完全對稱)，能夠達到極高的同步精度，為通信系統(tǒng)同步建設提供了更完美的解決方案。
參考文獻
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