基于ARM9200体系的IEEE 1588硬件实现

戴 辉，涂 岸

(1.贵州大学 继续教育学院，贵州 贵阳 550002；2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072)

在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合相关标准。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。

在早期，通信系统负载较低，对时间的同步精度也较低，一般的GPS和NTP方式的同步[2]就可以满足ms级别同步要求，但是随着通信系统的发展，特别是3G技术的发展，传统的同步方式越来越不能满足同步要求。2004年，安捷伦公司提出的 IEEE 1588[3-4]同步系统具有里程碑意义，它标志着网络同步开始进入次纳秒精度领域。而2006年，国家半导体推出的DP83640芯片将IEEE 1588时间戳方案在硬件中首次实现，使次纳秒级别网络同步精度实现变为可能。

1 IEEE 1588实现原理

IEEE 1588，即精密时间协议PTP(Precision Time Protocol)由安捷伦于2004年提出，是为了克服以太网实时性不足而规定的一种对时机制。精密时间协议可以估算出数据包在网络上的往返延迟，并可独立地估算设备时钟偏差。网络时间协议的工作原理说明如下[5-7]：

(1)现场设备A发送一个 PTP包给现场设备 B，并记录下数据包离开A的时间，该时间戳为t1。

(2)当此PTP包到达现场设备B时，现场设备 B加上自己接收到该数据包的时间戳，该时间戳为TS1。

(3)现场设备A发送一个Follow Up消息给现场设备 B，通知 B时间 t1。

(4)当此PTP包离开现场设备B时，并记录下数据包离开B的时间t2。

(5)当现场设备A接收到该响应包时，加上一个新的时间戳，该时间戳为Tm2，整个同步过程如图1所示。

(6)现场设备A再发送Follow Up消息给现场设备B，通知 B时间 Tm2。

至此，现场设备B己拥有足够的信息来计算2个重要的参数：一是PTP数据包来回一个周期的时延，二是现场设备A和现场设备B的时钟差。于是现场设备B能够设定自己的时钟与现场设备A同步。

图1 PTP时间同步示意图

可以根据下面公式算出现场设备A与现场设备B之间的时间差和延时：

2系统硬件电路设计

2.1支持PTP协议嵌入式接口板设计

根据PTP协议框架，支持PTP协议的嵌入式接口板硬件框图如图2所示。

图2 基于DP83640的接口板硬件框图

DP83640高精度PHYTER收发器芯片内置高精度IEEE 1588时钟，并设有由硬件执行的时间标记功能，可为接收及发送的信息包印上时间标记。DP83640最大的特色在于将IEEE 1588高精度时间协议(PTP)功能设于芯片的物理层之内，因此可以在最靠近网线的位置记录时间标记，而且分辨度达8 ns，不但可为系统提供最准确的高精度控制功能，也确保采集回来的数据出现最少的抖动。

DP83640预载4个时钟更新算法，用户可以利用任何一个算法调节电路板上的PTP时钟，而且偏差率保证不超过 10亿分之一(即1ppb[8]的准确度)。

DP83640也可与部分符合IEEE 1588规定的处理器搭配一起使用，为测试及测量仪表等设备提供更准确的时钟同步功能。其系统连接后时钟关系图如图3所示。

2.2具体电路设计

系统实际设计电路主要包含如下部分：核心处理器ARM9200；存储电路，其中包含了SDRAM和ROM两部分的电路设计；网络接口电路，其中使用DP83640通过RMII接口总线与ARM9处理器相连，把PTP报文的时间戳信息和当前时钟读数发送给ARM9处理器，同时接收来自ARM9处理器的时钟调整值来调整本地时钟。DP83640通过RMII总线来获取以太网报文比特流而不是直接从物理层获取，从而实现10 Mb/s和100 Mb/s两种速率的自适应处理。

图3 主从系统时钟关系图

3系统软件设计

系统软件结构如图4所示。

图4 系统的体系结构示意图

3.1 PTP协议状态机模块

PTP协议状态机主要负责管理设备上电时的初始化状态、出现异常情况下的故障状态、通常情况下的侦听状态、主时钟状态、从时钟状态和未校准状态，以及各状态之间的转化。

3.2最佳主时钟选择模块

最佳主时钟算法模块主要用于选择本地网络中的最佳时钟作为主时钟，同时决定本地时钟应处的状态。

实现最佳主时钟的方法包括两个步骤：(1)从本地时钟系统通信端口中选出一个质量最好的同步报文；(2)根据上述结果，比较此时的主时钟和本地时钟属性，决定本地设备PTP协议引擎所处的状态。步骤(1)采用数据集比较算法模块来实现，步骤(2)采用状态决断算法模块来实现。该模块定义了STATE_DECISION_ALGORITHM()函数来进行状态的决断和数据集的更新。在缺省数据集的层数是1或2的前提下，调用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模块来判定本地时钟缺省数据集D0和较好时钟Erbest的数据集哪个更好。

通过比较，如果是缺省数据集D0更好，则根据状态决断代码 M1，调用函数 CreateMasterClock()根据缺省数据集D0的属性值来构建主时钟，并且将D0状态更改为PTP_MASTER，这代表D0是目前最好的主时钟；否则，调用函数CreateSlaveClock()，根据Erbest的属性来构建从时钟，Erbest的状态则是PTP_SLAVE。

在主时钟的层数大于2的情况下，调用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模块，以对本地时钟缺省数据集D0和最好时钟Ebest进行判定。通过比较，如果是缺省数据集 D0更好，则调用 CreateMasterClock()，根据状态决断代码M2，根据缺省数据集D0的属性值来构建主时钟，并且更改D0状态为PTP_MASTER；否则，将调用DATASET_COMPARISON_ALGORITHM模块将Ebest与Erbest进行比较，如果比较结果相同，根据状态决断代码S1，根据Ebest的属性来构建从时钟，更改Ebest状态成PTP_SLAVE。如果经过比较Ebest有更好的属性值，则根据状态决断代码 M3，根据Erbest的属性来构建从时钟，并设置它的状态为 PTP_SLAVE；否则，根据状态决断代码 P2，根据Ebest的属性来构建主时钟，改变它的状态为PTP_MASTER。

最佳主时钟选择模块示意图如图5所示。

图5 最佳主时钟选择

3.3时钟调整模块

本地时钟同步算法是PTP协议中十分关键的部分，主要用来调整本地时间，与主时钟的基准时间保持一致性。主时钟被选择出来后，就开始调用同步报文发送函数 PTP_Send_PTP_SYNC_MESSAGE()，构造同步报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，再调用udp_send()将报文打包并加入发送缓冲区进行发送。

调用跟随报文发送函数PTP_Send_PTP_FOLLOW_MESSAGE()，构造跟随报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，然后调用udp_send()将报文打包并加入发送缓冲区进行发送。

从时钟udp_rcve()设置接收缓冲区分别先后接收了同步报文和跟随报文，记录下接收的时间打上时间戳，再调用函数PTP_RECV_PROCESS()判断接收的是哪种报文，如果是同步报文，则调用函数 PTP_RECV_SYNC()，然后对报文解包，取出报文从主时钟发送过来的时间。如果是跟随报文，则调用函数 PTP_RECV_FOLLOWUP()对报文解包，取出报文从主时钟发送过来的时间。

在这个函数最后，调用了PTP_Send_Delay_Req()函数，它构造延迟请求报文并对报文初始化，记录发送出去的时间戳，然后调用udp_send()将报文打包并加入发送缓冲区进行发送；而主时钟的缓冲区一旦有报文，则主时钟立即调用udp_rcve()记录下接收的时间打上时间戳，再调用函数PTP_RECV_PROCESS()判断接收的是哪种报文，如果是延迟请求报文，则函数PTP_RECV_DELAY_REQ()立 即 调用 PTP_Send_PTP_REQ_RESP()，从 时钟根据收到的4个报文收发时间，计算出主从偏差，对自己的时间进行校正。

整个程序流程如图6所示。

4系统测试结果与结论

系统测试将两片DP83640连接到1 Hz信号输出，利用DP83640捕获上升沿时间戳实现，在Linux系统中，利用MII总线读取DP83640时间戳寄存器，数据结果如表1所示。

表1 系统测试结果

实验结果，表明利用DP83640达到了10 ns级别的同步精度，完成了系统的设计目标。

图6 系统的体系结构示意图

IEEE 1588提供的时间同步在理想条件下(网络完全对称)，能够达到极高的同步精度，为通信系统同步建设提供了更完美的解决方案。

[1]秦云川，徐大令，李彤.测量仪器总线技术的发展与现状[J].中 国 仪 器 仪 表 ，2005(8)：48-52.

[2]Ji Ling.LXI-2000年代的新一代仪器系统总线[J].国外电 子 测 量 技 术 ，2005(2)：1-3.

[3] TC9-TechnicalCommitteeon SensorTechnology， 1588 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[C].2002.

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[5]李鉴，孙宝成，周雷.一种新的局域网时间同步方法[J].计算机与数字工程，2005，33(9)：161-164.

[6]王建珍.计算机网络时间同步技术应用研究[J].山西电子 技 术 ，2005(4)：7-8.

[7]安荣亮.局域网时间同步原理及设计[J].电光系统，2005(2)：47-49.

[8]Simple Network Time Protocol(SNTP)Version 4 for IPv4，IPv6 and OSI.http：//www.networksorcery.com/enp/rfc/rfc2030.txt.2009.