利用IEEE 1588和Blackfin嵌入式处理器实现设备时钟同步

简介

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IEE绕行电感E 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-BF518 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&塑封电感rdquo;(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电感生产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布式系统可行；高频时钟信号无法实现长距离可靠传输。

●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同。

●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)，系统中的每台设备根据它从NTP时工字电感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：

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，在主时钟设备的两次广播之间插入时间点。这将导致主时钟更新周期之间的同步精度下降。

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调。

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 1588-2002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还提供其它机制，电感器企业新增三种消息：PdelayReq、PdelayResp和 PdelayRespFollowup来测量“点对点延迟”。

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