利用IEEE 1588和Blackfin嵌入式處理器實現設備時鐘同步

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

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——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：

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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。

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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.I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。可以使用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，而硬件時間戳則不存在這一問題。

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。因此，時鐘的漂移和抖動越低，則同步精度越高。

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。控制法則參數包括建立時間、過沖和穩態誤差，都將直接影響時鐘同步性能。

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。216 (!) 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度。

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越大。

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-BF518處理器支持IEEE 1588

ADI公司Blackfin DSP系列最近新增一款產品：ADSP-BF518處理器。像前款產品ADSP-BF537,4一樣，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。

圖5. ADSP-BF518處理器TSYNC模塊的框圖