簡介

IEEE 1588標準誕生于2002年，主要定義網(wǎng)絡(luò)分布式時鐘的同步協(xié)議。測試與測量、電信和多媒體流處理等許多不同應(yīng)用，都開始首選這種時鐘同步方法。這種標準化時鐘同步法成本效益高，支持異構(gòu)系統(tǒng)，并可提供納秒級同步精度。

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(nèi)容。由于IEEE 1588在一些目標應(yīng)用中越來越重要，因此ADSP-BF518 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，并通過一個示例來展示利用ADSP-BF518處理器解決方案獲得的時鐘同步性能結(jié)果。

現(xiàn)在幾點了？

大多數(shù)系統(tǒng)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，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生時間信息。

圖1. 本地計時

系統(tǒng)內(nèi)的硬件和軟件資源均可使用此時間信息。對于硬件，振蕩器時鐘會產(chǎn)生一個或多個物理時鐘信號（時鐘輸出），并可利用這些時鐘信號驅(qū)動或觸發(fā)系統(tǒng)的其它部分。軟件中維護的時間通常稱為“系統(tǒng)時間”。系統(tǒng)時間可以用時鐘脈沖數(shù)或秒/納秒的形式表示。系統(tǒng)軟件利用振蕩器時鐘脈沖數(shù)及其頻率信息得出時間，并提供“應(yīng)用程序編程接口”(API)函數(shù)，軟件的其它部分可以使用這些函數(shù)檢索并設(shè)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(guān)聯(lián)。

時鐘同步

許多應(yīng)用要求兩臺獨立的設(shè)備以同步方式工作。如果每臺設(shè)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制時鐘同步工作的能力。一些簡單可行的解決方案可以克服這些限制，包括：

●所有設(shè)備共用一個物理振蕩器。這種方法僅對距離很近的分布式系統(tǒng)可行；高頻時鐘信號無法實現(xiàn)長距離可靠傳輸。

●所有設(shè)備均使用特性幾乎完全相同的振蕩器。由于很難獲得幾乎完全一樣的振蕩器，并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并不相同。

●如果所有設(shè)備均通過一個通信網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）互連，則這些設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)交換時間消息，根據(jù)單個“主”時鐘動態(tài)調(diào)整各自的時鐘。利用傳統(tǒng)的時間同步協(xié)議——“網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議”(NTP)，系統(tǒng)中的每臺設(shè)備根據(jù)它從NTP時間服務(wù)器獲取的時間信息調(diào)整其時鐘。然而，該協(xié)議只能實現(xiàn)毫秒級同步精度。

IEEE 1588定義了一個新協(xié)議，能夠實現(xiàn)納秒級同步精度。下面討論該標準如何實現(xiàn)這種水平的時鐘同步。

IEEE 1588有何作用

IEEE 1588標準定義了一種時間同步協(xié)議，適用于地理位置分散但通過某種通信技術(shù)（例如以太網(wǎng)）互連的設(shè)備。設(shè)備之間通過交換時序消息，從而保持相同的絕對系統(tǒng)時間（用秒和納秒表示）。

要實現(xiàn)此目標，一個直觀的方法是將一臺具有“最佳”（最精確）時鐘的設(shè)備指定為“主時鐘”設(shè)備，讓它向其它設(shè)備廣播其時間。其它設(shè)備將會調(diào)整各自的時間，與主時鐘所發(fā)送的時間保持一致。不過，這種解決方案也有幾點不足：

主時鐘設(shè)備無法以極短的間隔廣播時間，因此“從”時鐘設(shè)備必須使用自己獨立的“低劣”振蕩器，在主時鐘設(shè)備的兩次廣播之間插入時間點。這將導致主時鐘更新周期之間的同步精度下降。

廣播路徑難免存在延遲，延遲幅度取決于通信技術(shù)，例如物理信號沿導線從一臺設(shè)備傳輸至另一臺設(shè)備所需的時間。這種延遲會進一步擴大主時鐘與各從時鐘之間的失調(diào)。

主時鐘設(shè)備與各從時鐘設(shè)備之間的廣播路徑存在差異，這會進一步降低各從時鐘設(shè)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(diào)整的從時鐘與主時鐘保持步調(diào)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(zhì)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 1588-2002定義了四種消息Sync、Followup、DelayReq和DelayResp，用來測量前向（主時鐘至從時鐘）和后向（從時鐘至主時鐘）路徑的通信延遲。更新版本IEEE 1588-2008還提供其它機制，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，在離開和到達一臺設(shè)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(xiàn)軟件時間戳。通常出現(xiàn)在消息的接收/發(fā)送“中斷服務(wù)程序”(ISR)中，該時間戳為系統(tǒng)時間的當前值。

2.消息實際到達或離開設(shè)備時出現(xiàn)硬件時間戳。該時間戳操作由硬件執(zhí)行，硬件會維護自己的連續(xù)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。

主時鐘設(shè)備到從時鐘設(shè)備的延遲

消息Sync和Followup由主時鐘設(shè)備發(fā)送，從時鐘設(shè)備負責接收這些消息，并計算主時鐘設(shè)備到從時鐘設(shè)備的通信路徑延遲。

圖2中，在時間點Tm1，主時鐘設(shè)備軟件讀取當前本地系統(tǒng)時間（Tm1，軟件時間戳），將其插入Sync消息中，并送出該消息。該消息在稍后的時間點Tm1＇離開主時鐘設(shè)備，該時間點為硬件時間戳。該消息在時間點Ts1＇（從時鐘設(shè)備本地時間）到達從時鐘硬件，從時鐘設(shè)備軟件在稍后的時間點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(yīng)等于(Tm1＇ + Tms)，其中Tms為主時鐘與從時鐘之間的時間差。該協(xié)議的最終目標是補償此時間差。

　圖2. 測量主時鐘設(shè)備與從時鐘設(shè)備之間的通信延遲

發(fā)送Sync消息之后，主時鐘設(shè)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，然后在時間點Tm2發(fā)送該消息。從時鐘設(shè)備軟件在時間點Ts2收到此消息。此時，從時鐘設(shè)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)

從時鐘設(shè)備到主時鐘設(shè)備的延遲

從時鐘設(shè)備發(fā)送DelayReq消息，主時鐘設(shè)備予以響應(yīng)發(fā)送DelayResp消息。利用這些消息，從時鐘設(shè)備可以計算從時鐘設(shè)備到主時鐘設(shè)備的通信路徑延遲。

在時間點Ts3（圖3），從時鐘設(shè)備軟件讀取當前本地系統(tǒng)時間（Ts3），將其插入DelayReq消息中，并送出該消息。

圖3. 測量從主通信延遲