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。由於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，並通過一個示例來展示利用ADSP-BF518 處理器解決方案獲得的時鍾同步性能結果。

 

現在幾點了？

 

大多數係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
，在係統內產生時間信息

 

圖1. 本地計時

 

係統內的硬件和軟件資源均可使用此時間信息。對於硬件，振 蕩器時鍾會產生一個或多個物理時鍾信號（時鍾輸出），並可 利用這些時鍾信號驅動或觸發係統的其它部分。軟件中維護的 時間通常稱為"係統時間"。係統時間可以用時鍾脈衝數或秒 / 納秒的形式表示。係統軟件利用振蕩器時鍾脈衝數及其頻率 信息得出時間，並提供"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並設置時間。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.

 

時鍾同步

 

許多應用要求兩台獨立的設備以同步方式工作。如果每台設備 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 限製時鍾同步工作的能力。一些簡單可行的解決方案可以克服 這些限製
，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 於很難獲得 幾乎完全一樣的振蕩器，並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並不相

 

● 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"時鍾 動態調整各自的時鍾。利用傳統的時間同步協議—— "網絡 時間協議"(NTP)
，統中的每台設備根據它從 NTP時間服 務器獲取的時間信息調整其時鍾。然而，該協議隻能實現毫 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 麵討論該標準如何實現這種水平的時鍾同步。

 

IEEE 1588 有何作用

 

IEEE 1588 標準定義了一種時間同步協議，適用於地理位置分 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係統時間（用秒和納 秒表示）。

 

要實現此目標，一個直觀的方法是將一台具有"最佳"（最精 確）時鍾的設備指定為"主時鍾"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，與主時鍾所發送的時 間保持一致。不過，這種解決方案也有幾點不足:

 

1. 主時鍾設備無法以極短的間隔廣播時間
，因此"從"時鍾設備必須使用自己獨立的"低劣"振蕩器，在主時鍾設備

 

2. 廣播路徑難免存在延遲，延遲幅度取決於通信技術，例如物理信號沿導線從一台設備傳輸至另一台設備所需的時 間。這種延遲會進一步擴大主時鍾與各從時鍾之間的失

 

3. 主時鍾設備與各從時鍾設備之間的廣播路徑存在差異

，這會進一步降低各從時鍾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鍾與主時鍾保持步調一致，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（主時鍾至從時鍾）和後向（從 時鍾至主時鍾）路徑的通信延遲。更新版本IEEE 1588-2008,3 還提供其它機製，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，在離開和到達一台設備時必須加上"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，該時間戳為係統時間的當前值。

 

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。

 

主時鍾設備到從時鍾設備的延遲

 

消息Sync 和Followup 由主時鍾設備發送，從時鍾設備負責接 收這些消息，並計算主時鍾設備到從時鍾設備的通信路徑延遲.

 

圖2 中，在時間點 Tm1

，主時鍾設備軟件讀取當前本地係統 時間（Tm1，軟件時間戳），將其插入 Sync 消息中，並送出 該消息。該消息在稍 後的時間點 Tm1'''' 離開主時鍾設備，該時 間點為硬件時間戳。該消息在時間點 Ts1'''' （從時鍾設備本地時間）到達從時鍾硬件

，從時鍾設備軟件在稍後的時間點 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'''' 應等於(Tm1'''' + Tms)
，其中 Tms 為主時鍾與從時 鍾之間的時間差。該協議的最終目標是補償此時間差.

 

圖 2. 測量主時鍾設備與從時鍾設備之間的通信延遲

 

發送 Sync 消息之後
，主時鍾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
，然後 在時間點 Tm2 發送該消息。從時鍾設備軟件在時間點 Ts2 收 到此消息。此時，從時鍾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)

 

從時鍾設備到主時鍾設備的延遲ce

 

從時鍾設備發送 DelayReq 消息，主時鍾設備予以響應發送 DelayResp 消息。利用這些消息
，從時鍾設備可以計算從時鍾 設備到主時鍾設備的通信路徑延遲.

 

在時間點 Ts3 （圖 3 ），從時鍾設備軟件讀取當前本地係統時 間 (T s3) ，將其插入 DelayReq 消息中
，並送出該消息。發送該 消息之後，從時鍾設備軟件讀取時間戳以獲取消息離開時間 Ts3''''

，並等待主時鍾設備的響應。

 

圖 3. 測量從主通信延遲

 

DelayReq 消息在稍後的時間點 Tm3'''' 到達主時鍾設備，由主時 鍾設備軟件在時間點 Tm3 處理。然後，該軟件讀取時間戳以 獲取到達時間 Tm3'''' ，將其插入 DelayResp 消息中，並在時間 點 Tm4 發送至從時鍾設備。當從時鍾設備軟件在時間點 Ts4 收到 DelayResp 消息時，它可以提取時間 Tm3'''' ，並通過公式 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——那麼，將公式1 與公式 2 相加可以得出

 

   (4)

 

由於從時鍾設備尋求與主時鍾設備同步，因此所有這些計算 均由這些設備執行。從時鍾設備從主時鍾設備的 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''''

，並通過主時鍾設備的 DelayResp 消息獲 得 Tm3''''.

 

如何計算從時鍾與主時鍾的時間差

 

一旦獲得通信路徑延遲 Td ，便可利用公式 1 或公式 2 輕鬆計 算從時鍾與主時鍾的時間差
，如公式 5 和公式 6 所示

 

   (5)

 

   (6)

 

如何調整從時鍾設備的時間

 

知道與主時鍾的時間差之後，各從時鍾需要調整自己的本地時 間
，與主時鍾保持一致。該任務包括兩方麵。第一
，從時鍾設 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鍾 時間完全一致。第二
，從時鍾設備需要調整各自的時鍾頻率， 與主時鍾的頻率保持一致。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 結果是從時鍾時間向前跳躍或向後倒退。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
，則使從時鍾的頻率改變某一百分比.

 

一般而言
，該係統會變成一個控製環路
，其中主時鍾時間是參 考命令，而從時鍾時間是跟蹤主時鍾時間的輸出，二者之差驅 動可調整時鍾。可以使用 PID 控製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 顯示了這種控製環路.

 

圖 4. IEEE 1588 控製環路.

 

點對點延遲

 

修訂版 IEEE 1588-2008 引入了新的機製來測量路徑延遲，稱 為"點對點" (P2P) 延遲。與之相比
，上文討論的主從機製則 是"端對端" (E2E) 延遲。在支持 IEEE 1588-2008 的網絡中， 主時鍾設備可以與從時鍾設備直接相連，或者隔幾個中繼站 （級）相連。 E2E 延遲實際上是主時鍾設備到從時鍾設備的 "總"延遲，包括其間的所有中繼站在內。但是， P2P 延遲則 僅限於兩個直接相連的設備。通信路徑的總延遲等於所有中繼 站的 P2P 延遲之和。從確保路徑對稱性的角度看， P2P 機製可 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鍾同步，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後向傳輸 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 設備的邊界之外控製延遲對 稱性和抖動
，但如果測量基於硬件時間戳
，則可在設備內 改善路徑對稱性和抖動。由於中斷延時
、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. 時鍾的漂移和抖動特性：: 主時鍾的頻率和相位代表跟蹤控 製係統的輸入，從時鍾則是控製對象。主時鍾的任何時變 行為都會擾動該控製係統，導致穩態和瞬態兩種誤差。因

 

3. 控製法則: 從時鍾調整如何校正從時鍾設備的時間誤 差取 決於控製方法。控製法則參數包括建立時間、過衝和穩態

 

4. 時鍾分辨率: 如圖 1 所示，本地時間的分辨率由時鍾頻率 決定；最小時間增量為時鍾信號的一個周期。 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 ）的時鍾是不 現實的。本地時鍾的量化會影響本地時間測量和控製的精

 

5. Sync 消息的發送周期: 從時鍾的更新頻率最終會影響同步 精度。因為時間誤差是從時鍾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鍾同步 性能。

 

哪個是主時鍾？

 

在考慮如何精確確 定主時鍾設備與從時鍾設備之間的時間差之 後，下一個相關問題是：在成百上千台互連設備中
，如何確定 哪一台設備充當主時鍾。

 

IEEE 1588 定義了一種稱為"最佳主時鍾" (BMC) 算法的方 法，用於選擇主時鍾設備。這種方法要求 IEEE 1588 網絡的每 台設備均提供一個數據集，描述其本地時鍾的性質、質量
、穩 定性、唯一識別符和首選設置。當一台設備加入 IEEE 1588 網 絡時
，它會廣播其時鍾的數據集，並接收所有其它設備的數據 集。利用所有參與設備的數據集，每台設備均運行同一 BMC 算法，以確定主時鍾及其自己的未來狀態（主時鍾或從時 鍾）。由於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 係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 太網媒體訪問控製器" (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
，並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 係統的精度在很大程度上取決於這二 者。 ADSP-BF518 的 TSYNC 模塊持續監控 MAC 控製器與以 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) 
，並且隻要檢測到事件消息，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。

 

靈活的時鍾源

 

本地時鍾的屬性對於 IEEE 1588 係統的性能很重要。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 鍾源選項：係統時鍾、外部時鍾或以太網時鍾。如果應用具有 特定時鍾要求
，則可以選擇"外部時鍾"，並提供定製時鍾 源。如果主時鍾設備與從時鍾設備"背靠背"連接，由於"以 太網時鍾"來自以太網線路，而且兩台設備采用同一時鍾工 作
，因此該時鍾選項可以提供良好的精度。一般應用可以選擇 處理器的"係統時鍾"作為時鍾源。

 

所選源時鍾也由 TSYNC 模塊驅動，通過特定引腳 Clockout 作 為處理器輸出，係統的其它部分可利用該輸出提供本地時間信息。

 

PPS 輸出

 

"每秒脈衝" (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衝。它可用 來控製本地設備，或者在發生網絡故障時提供輔助時間通道。 它也可以 用於測試。兩台設備的 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) 發出脈衝的信號，其中 n = 1, 2, 3 ...。基本用法是 將 PPS_P 設置為 1 秒，並將 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誌信號切換指示，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誌
，以便實現這種請求。切換 標誌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。然後，軟件便可利用中斷執行任 務。

 

可調時鍾

 

TSYNC 模塊的可調時鍾是一種"基於加數"的時鍾。如圖 6 所示，它獲得一個固定輸入時鍾信號，並輸出該輸入的"盜取 脈衝"版本信號：對於每個輸入時鍾，"加數"的值增加到累 加器中，並且每次累加器溢出時
，進位位就會驅動"本地時間計數器"，從而產生以脈衝計數值表示的本地時間。更改加數 可以調整本地時鍾的頻率
，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。如果輸入時鍾的頻率為 Fin
，且加數的值為A
，則本地時鍾頻率為：

 

   (7)

 

圖 6. 基於加數的可調時鍾

 

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 兼容係統，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， 並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 入並調整 TSYNC 時鍾，並使用 MAC 控製器驅動程序在以太 網 MAC 層（開放係統互連模型的第二層）發送和接收消息。它還可實現 P2P 延遲測量的控製法則和過濾。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 模塊時鍾源選擇處理器的係統時鍾 (80 MHz)。

 

圖 8. ADSP-BF518 上 IEEE 1588 係統的從時鍾誤差直方圖

 

圖 8 是兩個完全相同的 ADSP-BF518 IEEE 1588 係統之間的 測量誤差直方圖
，由此可看出該器件的時鍾同步性能。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、低成本的分布式時鍾同步 方法。雖然 IEEE 1588 並未明文要求硬件支持，但硬件輔助 消息檢測和時間戳對於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鍾同步。

 

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. 網絡測量和控製係統的精密時鍾同步協 議 IEEE 標準。 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=1048550.

 

3IEEE Std. 1588-2008. 網絡測量和控製係統的精密時鍾同步協 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.

 

 

推薦閱讀：