利用IEEE 1588和Blackfin嵌入式处理器实现设备时钟同步
品慧电子讯IEEE 1588标准诞生于2002 年，主要定义网络分布式时钟的同步协议。测试与测量、电信和多媒体流处理等许多不同应用，都开始首选这种时钟同步方法。这种标准化时钟同步法成本效益高，支持异构系统，并可提供纳秒级同步精度。
本文介绍原版 IEEE 1588-2002 标准以及更新版本 IEEE 1588-2008 中的改进内容。由于IEEE 1588 在一些目标应用中越来越重要，因此 ADSP-BF5181 Blackfin® 嵌入式处理器中也集成专用硬件来支持IEEE 1588。本文将概要介绍其功能，并通过一个示例来展示利用ADSP-BF518 处理器解决方案获得的时钟同步性能结果。
现在几点了？
大多数系统都需要利用本振来维护自己的时间概念。图1显示硬件和软件如何组合，在系统内产生时间信息
图1. 本地计时
系统内的硬件和软件资源均可使用此时间信息。对于硬件，振 荡器时钟会产生一个或多个物理时钟信号（时钟输出），并可 利用这些时钟信号驱动或触发系统的其它部分。软件中维护的 时间通常称为"系统时间"。系统时间可以用时钟脉冲数或秒 / 纳秒的形式表示。系统软件利用振荡器时钟脉冲数及其频率 信息得出时间，并提供"应用程序编程接口" (API) 函数，软 件的其它部分可以使用这些函数检索并设置时间。如果需要绝 对时间，则所提供的时间将与预定义时间点，即基准时间点相 关联.
时钟同步
许多应用要求两台独立的设备以同步方式工作。如果每台设备 仅依靠自己的振荡器，则各振荡器的特性与工作条件差异将会 限制时钟同步工作的能力。一些简单可行的解决方案可以克服 这些限制，包括：
● 所有设备共用一个物理振荡器.这种方法仅对距离很近的分
● 所有设备均使用特性几乎完全相同的振荡器.由 于很难获得 几乎完全一样的振荡器，并确保性能不随时间飘移，因此这 种方法不可行。更重要的是，各振荡器的工作条件并不相
● 如果所有设备均通过一个通信网络（例如以太网）互连，则这些设备可以通过网络交换时间消息，根据单个"主"时钟 动态调整各自的时钟。利用传统的时间同步协议—— "网络 时间协议"(NTP)，统中的每台设备根据它从 NTP时间服 务器获取的时间信息调整其时钟。然而，该协议只能实现毫 秒级同步精度。
IEEE 1588 定义了一个新协议，能够实现纳秒级同步精度。下 面讨论该标准如何实现这种水平的时钟同步。
IEEE 1588 有何作用
IEEE 1588 标准定义了一种时间同步协议，适用于地理位置分 散但通过某种通信技术（例如以太网）互连的设备。设备之间 通过交换时序消息，从而保持相同的绝对系统时间（用秒和纳 秒表示）。
要实现此目标，一个直观的方法是将一台具有"最佳"（最精 确）时钟的设备指定为"主时钟"设 备，让它向其它设备广播 其时间。其它设备将会调整各自的时间，与主时钟所发送的时 间保持一致。不过，这种解决方案也有几点不足:
1. 主时钟设备无法以极短的间隔广播时间，因此"从"时钟设备必须使用自己独立的"低劣"振荡器，在主时钟设备
2. 广播路径难免存在延迟，延迟幅度取决于通信技术，例如物理信号沿导线从一台设备传输至另一台设备所需的时 间。这种延迟会进一步扩大主时钟与各从时钟之间的失
3. 主时钟设备与各从时钟设备之间的广播路径存在差异，这会进一步降低各从时钟设备之间的同步精度。
IEEE 1588 要求通过测量路径延迟，解决第二个和第三个问 题。它还要求待调整的从时钟与主时钟保持步调一致，从而减 轻第一个问题。如果可能，使用更小的广播间隔和更高质量的 振荡器，可以进一步减轻第一个问题
IEEE 1588 如何测量通信延迟
IEEE 1588-20022 定义了四种消息 Sync、 Followup、 DelayReq和 DelayResp，用来测量前向（主时钟至从时钟）和后向（从 时钟至主时钟）路径的通信延迟。更新版本IEEE 1588-2008,3 还提供其它机制，新增三种消息 PdelayReq、PdelayResp和PdelayRespFollowup，来测量"点对点延迟"。
这些消息中，Sync、DelayReq、PdelayReq 和PdelayResp 是所谓"事件"消息，在离开和到达一台设备时必须加上"时间 戳"（记录本地时间）。给分组加上时间戳的方法有两种
1. 消息由软件处理时出现软件时间戳。通常出现在消息的接收/发送"中断服务程序"(ISR)中，该时间戳为系统时间的当前值。
2. 消息实际到达或离开设备时出现硬件时间戳。该时间戳操作由硬件执行，硬件会维护自己的连续时间信息。
两种时间戳方法均为IEEE 1588 所接受，但硬件时间戳的精度明显更高，如下文所述。
主时钟设备到从时钟设备的延迟
消息Sync 和Followup 由主时钟设备发送，从时钟设备负责接 收这些消息，并计算主时钟设备到从时钟设备的通信路径延迟.
图2 中，在时间点 Tm1，主时钟设备软件读取当前本地系统 时间（Tm1，软件时间戳），将其插入 Sync 消息中，并送出 该消息。该消息在稍 后的时间点 Tm1'''' 离开主时钟设备，该时 间点为硬件时间戳。该消息在时间点 Ts1'''' （从时钟设备本地时间）到达从时钟硬件，从时钟设备软件在稍后的时间点 Ts1 收到该消息。该软件将读取硬件时间戳以获得 Ts1''''。如果没有通 信延迟，Ts1'''' 应等于(Tm1'''' + Tms)，其中 Tms 为主时钟与从时 钟之间的时间差。该协议的最终目标是补偿此时间差.
图 2. 测量主时钟设备与从时钟设备之间的通信延迟
发送 Sync 消息之后，主时钟设备软件通过时间戳单元读取 Sync 消息的离开时间 Tm1'''' ，将其插入 Followup 消息中，然后 在时间点 Tm2 发送该消息。从时钟设备软件在时间点 Ts2 收 到此消息。此时，从时钟设备软件有两个时间： Ts1'''' （ Sync 到 达时间）和 Tm1'''' （ Sync 离开时间）。主从路径延迟 Tmsd 由 公式 1 确定。
(1)
从时钟设备到主时钟设备的延迟ce
从时钟设备发送 DelayReq 消息，主时钟设备予以响应发送 DelayResp 消息。利用这些消息，从时钟设备可以计算从时钟 设备到主时钟设备的通信路径延迟.
在时间点 Ts3 （图 3 ），从时钟设备软件读取当前本地系统时 间 (T s3) ，将其插入 DelayReq 消息中，并送出该消息。发送该 消息之后，从时钟设备软件读取时间戳以获取消息离开时间 Ts3'''' ，并等待主时钟设备的响应。
图 3. 测量从主通信延迟
DelayReq 消息在稍后的时间点 Tm3'''' 到达主时钟设备，由主时 钟设备软件在时间点 Tm3 处理。然后，该软件读取时间戳以 获取到达时间 Tm3'''' ，将其插入 DelayResp 消息中，并在时间 点 Tm4 发送至从时钟设备。当从时钟设备软件在时间点 Ts4 收到 DelayResp 消息时，它可以提取时间 Tm3'''' ，并通过公式 2 计算从主通信延迟 Tsmd 。
(2)
公式 1 和公式 2 中均有一个未知变量，即主从时间差 Tms ，因 此无法单独求得 Tmsd 或 Tsmd 。但是，如果我们合理地假设 通信路径是对称的，即
(3)
——这是IEEE 1588 成立的关键假设——那么，将公式1 与公式 2 相加可以得出
(4)
由于从时钟设备寻求与主时钟设备同步，因此所有这些计算 均由这些设备执行。从时钟设备从主时钟设备的 Followup 消 息获得 Tm1'''' ，从其 Rx （接收）时间戳获得 Ts1'''' ，从其 Tx （发 送）时间戳获得 Ts3'''' ，并通过主时钟设备的 DelayResp 消息获 得 Tm3''''.
如何计算从时钟与主时钟的时间差
一旦获得通信路径延迟 Td ，便可利用公式 1 或公式 2 轻松计 算从时钟与主时钟的时间差，如公式 5 和公式 6 所示
(5)
(6)
如何调整从时钟设备的时间
知道与主时钟的时间差之后，各从时钟需要调整自己的本地时 间，与主时钟保持一致。该任务包括两方面。第一，从时钟设 备需要加上时间差以调整绝对时间，使其时间在此刻与主时钟 时间完全一致。第二，从时钟设备需要调整各自的时钟频率， 与主时钟的频率保持一致。我们不能单靠绝对时间，因为时间 差仅在一定期间内应用，可能是正值，也可能是负值；调整的 结果是从时钟时间向前跳跃或向后倒退。因此，在实际操作 中，调整分两步执行:
1. 如果时间差过大，例如
2. 如果时间差较小，则使从时钟的频率改变某一百分比.
一般而言，该系统会变成一个控制环路，其中主时钟时间是参 考命令，而从时钟时间是跟踪主时钟时间的输出，二者之差驱 动可调整时钟。可以使用 PID 控制来实现特定跟踪性能，这 是许多 IEEE 1588 实施方案常用的方法。图 4 显示了这种控制环路.
图 4. IEEE 1588 控制环路.
点对点延迟
修订版 IEEE 1588-2008 引入了新的机制来测量路径延迟，称 为"点对点" (P2P) 延迟。与之相比，上文讨论的主从机制则 是"端对端" (E2E) 延迟。在支持 IEEE 1588-2008 的网络中， 主时钟设备可以与从时钟设备直接相连，或者隔几个中继站 （级）相连。 E2E 延迟实际上是主时钟设备到从时钟设备的 "总"延迟，包括其间的所有中继站在内。但是， P2P 延迟则 仅限于两个直接相连的设备。通信路径的总延迟等于所有中继 站的 P2P 延迟之和。从确保路径对称性的角度看， P2P 机制可 提供更高的精度.
如上文所述， IEEE 1588-2008 新增了 PdelayReq 、 PdelayResp 和 PdelayRespFollowup 三种消息来测量 P2P 延迟。这些消息 的工作方式与上文所述方式相似，详情请看参考文献3。
影响同步性能的因素
精心 设计的 IEEE 1588 设备能够实现高度精确的时钟同步，但 也必须了解直接影响同步性能的主要因素，其中包括：
1. 路径延迟: 如上文所述， IEEE 1588 的路径延迟测量假设通 信路径延迟是对称的，即前向路径的传输延迟与后向传输 延迟相同。此外，在延迟测量期间，延迟不应变化。测量 期间延迟变化会导致不对称和延迟抖动，这将直接影响同 步精度。虽然无法在 IEEE 1588 设备的边界之外控制延迟对 称性和抖动，但如果测量基于硬件时间戳，则可在设备内 改善路径对称性和抖动。由于中断延时、环境切换和线程 调度，软件时间戳会导致明显的抖动，而硬件时间戳则不
2. 时钟的漂移和抖动特性：: 主时钟的频率和相位代表跟踪控 制系统的输入，从时钟则是控制对象。主时钟的任何时变 行为都会扰动该控制系统，导致稳态和瞬态两种误差。因
3. 控制法则: 从时钟调整如何校正从时钟设备的时间误 差取 决于控制方法。控制法则参数包括建立时间、过冲和稳态
4. 时钟分辨率: 如图 1 所示，本地时间的分辨率由时钟频率 决定；最小时间增量为时钟信号的一个周期。 IEEE 1588- 2002 支持 1 ns 的时间分辨率， IEEE 1588-2008 则支持 2 -16 ns 的时间分辨率。 2 16 (!) GHz （甚至 1 GHz ）的时钟是不 现实的。本地时钟的量化会影响本地时间测量和控制的精
5. Sync 消息的发送周期: 从时钟的更新频率最终会影响同步 精度。因为时间误差是从时钟频率误差的整体累积值，所 以发送周期越长，下一个 Sync 所观察到的时间误差一般会
6. 延迟测量的频率: 以预期相邻采样点之间延迟没有明显变 化的间隔时间，定期执行延迟测量。如果 IEEE 1588 网络 的延迟变化较大，则增加延迟测量频率可以改善时钟同步 性能。
哪个是主时钟？
在考虑如何精确确 定主时钟设备与从时钟设备之间的时间差之 后，下一个相关问题是：在成百上千台互连设备中，如何确定 哪一台设备充当主时钟。
IEEE 1588 定义了一种称为"最佳主时钟" (BMC) 算法的方 法，用于选择主时钟设备。这种方法要求 IEEE 1588 网络的每 台设备均提供一个数据集，描述其本地时钟的性质、质量、稳 定性、唯一识别符和首选设置。当一台设备加入 IEEE 1588 网 络时，它会广播其时钟的数据集，并接收所有其它设备的数据 集。利用所有参与设备的数据集，每台设备均运行同一 BMC 算法，以确定主时钟及其自己的未来状态（主时钟或从时 钟）。由于所有设备均采用同样的数据独立执行同一算法，因 此结论将会相同，设备之间不需要进行任何协商。有关 BMC 算法的更多详细信息，请看参考文献 2 和 3 。
ADSP -BF51 8 处理器支持 IEEE 1588
ADI 公司 Black fi n DSP 系列最近新增一款产品： ADSP-BF518 处理器。像前款产品 ADSP-BF537,4 该处理器内置"以 太网媒体访问控制器" (EMAC) 模块。它还具有 TSYNC 模 块，进一步扩展了支持 IEEE 1588 标准 EMAC 功能的能力； 还提供其它额外特性，可支持以太网的各种 IEEE 1588 应用。 图 5 显示了 TSYNC 模块的框图。 ADSP-BF51x Blackfin 处理 器硬件参考提供了更多信息5
图 5. ADSP-BF518 处理器 TSYNC 模块的框图。
分组检测
ADSP-BF518 处理器可以检测 IEEE 1588 的所有事件消息，包 括送入和送出的分组，并为其提供硬件时间戳。因为事件消息 时间戳的精度及其提取位置会影响路径延迟的对称性和稳定 性要求，所以 IEEE 1588 系统的精度在很大程度上取决于这二 者。 ADSP-BF518 的 TSYNC 模块持续监控 MAC 控制器与以 太网"物理接口收发器" (PHY) 之间的硬件接口，即"媒体独 立接口" (MII) ，并且只要检测到事件消息，就会产生硬件时 间戳，这一功能可提高 ADSP-BF518 的同步精度。
事件消息检测功能是可编程的，基本配置有两种：支持 IEEE 1588-2002 （默认状态）或支持 IEEE 1588-2008 。此外，这种 可编程能力还支持将来版本的 IEEE 1588 ，以及其它要求时间 戳的一般协议，包括配置为给进出处 理器的每个以太网分组加 上时间戳。
灵活的时钟源
本地时钟的属性对于 IEEE 1588 系统的性能很重要。为了满足 各种不同应用的要求， ADSP-BF518 处理器可提供三种本地时 钟源选项：系统时钟、外部时钟或以太网时钟。如果应用具有 特定时钟要求，则可以选择"外部时钟"，并提供定制时钟 源。如果主时钟设备与从时钟设备"背靠背"连接，由于"以 太网时钟"来自以太网线路，而且两台设备采用同一时钟工 作，因此该时钟选项可以提供良好的精度。一般应用可以选择 处理器的"系统时钟"作为时钟源。
所选源时钟也由 TSYNC 模块驱动，通过特定引脚 Clockout 作 为处理器输出，系统的其它部分可利用该输出提供本地时间信息。
PPS 输出
"每秒脉冲" (PPS) 信号是时间信息的物理表示。它名义上是 一个 1-Hz 信号，在每个 1 秒转换时间发出一个脉冲。它可用 来控制本地设备，或者在发生网络故障时提供辅助时间通道。 它也可以 用于测试。两台设备的 PPS 信号之间的相位差是二 者时间偏移的物理量度
ADSP-BF518 处理器提供灵活的 PPS 输出。它利用可编程"开 始时间" (PPS_ST) 和周期 (PPS_P) 产生一个在时间 (PPS_ST + n × PPS_P) 发出脉冲的信号，其中 n = 1, 2, 3 ...。基本用法是 将 PPS_P 设置为 1 秒，并将 PPS_ST 设置为用秒数表示的将来 任一时刻，从而产生 PPS 信号。参考基本用法，可以利用这 种 PPS 输出功能产生具有可编程频率和开始时间的周期性信号。
辅助快照
一些应用可能需要按照标志信号切换指示，给某一事件加上时 间戳。 ADSP-BF518 的 TSYNC 模块通过辅助"快照" 功能， 使用一个专用引脚来接收外部标志，以便实现这种请求。切换 标志将触发该模块捕捉时间戳寄存器中的当前本地时间，供软 件访问。.
报警
如果应用需在特定时间执行一项任务，则可以用 TSYNC 模块 的"报警"功能。这项功能可以设置本地绝对时间，到达该时 间时，就会触发处理器中断。然后，软件便可利用中断执行任 务。
可调时钟
TSYNC 模块的可调时钟是一种"基于加数"的时钟。如图 6 所示，它获得一个固定输入时钟信号，并输出该输入的"盗取 脉冲"版本信号：对于每个输入时钟，"加数"的值增加到累 加器中，并且每次累加器溢出时，进位位就会驱动"本地时间计数器"，从而产生以脉冲计数值表示的本地时间。更改加数 可以调整本地时钟的频率，因为加数决定累加器溢出的频率， 从而决定本地时间计数器递增的频率。如果输入时钟的频率为 Fin，且加数的值为A，则本地时钟频率为：
(7)
图 6. 基于加数的可调时钟
采用ADSP-BF518 处理器的 IEEE 1588 实施方案
ADSP-BF518 处理器上构建了一个完整的 IEEE 1588-2008 兼容系统，如图 7 所示。
图7. 采用ADSP-BF518 的 IEEE 1588 实施方案
处理器的 TSYNC 模块检测送入和送出的 IEEE 1588 消息， 并通过硬件给事件消息加上时间戳。由 I X X AT ( I X X AT Automation GmbH) 提供的 IEEE 1588 协议栈软件可实现标准 所要求的消息交换协议。它利用 TSYNC 驱动程序读取、写 入并调整 TSYNC 时钟，并使用 MAC 控制器驱动程序在以太 网 MAC 层（开放系统互连模型的第二层）发送和接收消息。它还可实现 P2P 延迟测量的控制法则和过滤。以太网 PHY 选择具有低抖动延迟特性的 National Semiconductor DP838486。为简明起见，TSYNC 模块时钟源选择处理器的系统时钟 (80 MHz)。
图 8. ADSP-BF518 上 IEEE 1588 系统的从时钟误差直方图
图 8 是两个完全相同的 ADSP-BF518 IEEE 1588 系统之间的 测量误差直方图，由此可看出该器件的时钟同步性能。在 约 1700 秒的时间内共进行了 6938 次测量。最终平均误差为0.015 ns，标准差为 12.96 ns。该测试所用的 Sync 消息间隔为0.25 秒。
结论
IEEE 1588 标准提供了一种高精度、低成本的分布式时钟同步 方法。虽然 IEEE 1588 并未明文要求硬件支持，但硬件辅助 消息检测和时间戳对于实现极高同步精度至关重要。 ADSP- BF518 为 IEEE 1588-2002 和 IEEE 1588-2008 提供硬件支 持，包括各种应用的支持功能。利用 ADSP-BF518 处理器和 IXXAT IEEE 1588-2008 协议软件实施 IEEE 1588 技术，已证 明可以实现高精度时钟同步。
参考电路
1 ADSP-BF518 数据手册。 http://www.analog.com/en/products/processors-dsp/blackfin/adsp-bf518.html.
2IEEE Std. 1588-2002. 网络测量和控制系统的精密时钟同步协 议 IEEE 标准。 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=1048550.
3IEEE Std. 1588-2008. 网络测量和控制系统的精密时钟同步协 议 IEEE 标准。http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=4579760.
4ADSP-BF537 数据手册。 http://www.analog.com/en/products/processors-dsp/blackfin/adsp-bf537.html.
5ADSP-BF51x Blackfin 处理器硬件参考，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 数据延时。 2006. National Semiconductor Corporation. http://www.ti.com/lit/an/snla084b/snla084b.pdf.
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