利用ADSP-BF518 實現設備時鐘同步

簡介

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***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1秒以上，則應用絕對時間調整。

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?？梢允褂?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?？刂品▌t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 。。。?；居梅ㄊ?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。