黃華明 黃榮

摘 要 本文介紹了基于IEEEl588V2的精確時(shí)鐘同步協(xié)議（PTP）系統(tǒng)中，為解決系統(tǒng)主時(shí)鐘板卡與各從時(shí)鐘子板卡之間的時(shí)間精確同步的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并減少板卡間為實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步所必須的硬件走線互聯(lián)以減低成本，而提出的一種簡(jiǎn)化的低成本設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】IEEE1588V2 精確時(shí)鐘同步協(xié)議 主時(shí)鐘 從時(shí)鐘 時(shí)間同步

1 引言

精確時(shí)鐘同步系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于IEEE1588V2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的[1]。在一個(gè)IEEE1588V2協(xié)議系統(tǒng)中，對(duì)一個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備包含的幾塊或多塊硬件板卡，需要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的時(shí)間同步，以滿足該節(jié)點(diǎn)各端口可作為邊緣時(shí)鐘端口的應(yīng)用場(chǎng)合。

在一個(gè)設(shè)備的多塊板卡，通常是通過(guò)背板的互聯(lián)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的。作為時(shí)間同步的物理載體，時(shí)間同步所需的信號(hào)互聯(lián)線也是需要經(jīng)過(guò)背板的。所以在有一個(gè)可靠的傳輸協(xié)議保證時(shí)間同步穩(wěn)定性的前提下，如何減少時(shí)間同步所必須的信號(hào)數(shù)量，對(duì)于這種經(jīng)過(guò)背板的多板卡信號(hào)互通，在降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本上，都具有非常重要的意義。

2 主從時(shí)鐘時(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)方法。

本文關(guān)注的重點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)IEEE1588V2時(shí)間同步[2]硬件實(shí)現(xiàn)中，如何通過(guò)一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間傳輸協(xié)議，使得時(shí)間傳輸所需的硬件信號(hào)互聯(lián)線達(dá)到最少化。

2.1 最初典型設(shè)計(jì)

時(shí)間同步算法依賴(lài)三個(gè)硬件互聯(lián)信號(hào)：

25兆赫茲發(fā)送時(shí)鐘：用于同步傳輸時(shí)間信息的時(shí)鐘信號(hào)。

心跳控制信號(hào)：用于標(biāo)記開(kāi)始傳輸時(shí)間信息的同步信號(hào)。

串行時(shí)間信息：承載80比特位的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1588時(shí)間值。

主時(shí)鐘在125兆赫茲的發(fā)送時(shí)鐘域產(chǎn)生主時(shí)間計(jì)數(shù)和25兆赫茲的同步傳輸時(shí)鐘，并且在25兆赫茲時(shí)鐘產(chǎn)生待發(fā)送的串行化時(shí)間計(jì)數(shù)，最后通過(guò)背板將時(shí)間信息連同同步心跳信號(hào)以25兆赫茲的同步方式發(fā)送到從時(shí)鐘。從時(shí)鐘基于心跳同步信號(hào)使用25兆赫茲時(shí)鐘接收同步時(shí)間信息并解串。最后將解串后的并行同步時(shí)間信號(hào)經(jīng)過(guò)跨時(shí)鐘域處理，在從時(shí)鐘的125兆赫茲時(shí)鐘域下同步本地時(shí)間發(fā)生器，從而最終實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的時(shí)間定時(shí)同步。

這種設(shè)計(jì)有2個(gè)明顯的缺點(diǎn)：

（1）需要3根信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步傳輸。這對(duì)于硬件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是很不經(jīng)濟(jì)和不方便的，尤其對(duì)于連線過(guò)背板的情況下。

（2）設(shè)計(jì)中需要時(shí)間信息的發(fā)送串行化、接收解串、并行時(shí)間信息的跨時(shí)鐘域處理等過(guò)程。所以對(duì)于芯片的設(shè)計(jì)也是相對(duì)比較復(fù)雜的。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)去掉了心跳同步控制信號(hào)，在主從時(shí)鐘之間減少一根硬件互聯(lián)線。將時(shí)間同步信息疊加到串行時(shí)間信息的前部，用一個(gè)時(shí)鐘周期的低電平表示。其他部分的設(shè)計(jì)與上述保持一致。

但優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然存在一些缺點(diǎn)：

（1）盡管為實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步在主從時(shí)鐘之間已經(jīng)去掉一根硬件連線，但仍然需要2根信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步傳輸。

（2）設(shè)計(jì)中仍然需要時(shí)間信息的發(fā)送串行化、接收解串、并行時(shí)間信息的跨時(shí)鐘域處理等過(guò)程。所以對(duì)于芯片的設(shè)計(jì)還是相對(duì)比較復(fù)雜的。

2.3 改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案

在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下，只需要進(jìn)行一秒內(nèi)的時(shí)間精確同步。一秒以上時(shí)間信息可以通過(guò)相對(duì)較慢的方法如軟件方法進(jìn)行同步。而且在精確時(shí)間同步系統(tǒng)中的大多數(shù)情況下，其實(shí)是不需要秒以上的時(shí)間信息的。所以我們新設(shè)計(jì)的秒內(nèi)信息同步能夠滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

如上圖所示，在主時(shí)鐘側(cè)，首先基于125兆赫茲的發(fā)送主時(shí)鐘產(chǎn)生占空比為50%的25兆赫茲同步發(fā)送時(shí)鐘并同時(shí)產(chǎn)生主時(shí)鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)。當(dāng)主時(shí)鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)器在秒翻轉(zhuǎn)邊界時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)整秒信號(hào)脈沖，此整秒信號(hào)脈沖寬度為5個(gè)周期的125兆赫茲的發(fā)送主時(shí)鐘。當(dāng)25兆赫茲時(shí)鐘發(fā)生器檢測(cè)到整秒信號(hào)脈沖時(shí)，將產(chǎn)生的25兆赫茲同步發(fā)送時(shí)鐘占空比調(diào)整為20%。

從時(shí)鐘側(cè)有一個(gè)時(shí)鐘檢測(cè)功能模塊，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)來(lái)的25兆赫茲同步發(fā)送時(shí)鐘的占空比為20%時(shí)，將整秒信號(hào)從該25兆時(shí)鐘中恢復(fù)出來(lái)。同時(shí)用從時(shí)鐘的125兆赫茲時(shí)鐘檢測(cè)到來(lái)的25兆赫茲同步發(fā)送時(shí)鐘的上升沿，每檢測(cè)到一個(gè)上升沿，從時(shí)間發(fā)生器的計(jì)數(shù)器增加40納秒。使用這種時(shí)鐘邊沿檢測(cè)并推動(dòng)時(shí)間步進(jìn)計(jì)數(shù)，同時(shí)利用整秒信號(hào)進(jìn)行秒內(nèi)同步，最終產(chǎn)生與主時(shí)鐘時(shí)間同步的從時(shí)鐘時(shí)間計(jì)數(shù)器。

3 結(jié)果及分析

本文描述的新的設(shè)計(jì)方案，能夠有效的傳送系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間信息，滿足時(shí)間同步系統(tǒng)的性能需求。

另一方面，相對(duì)于其他的同類(lèi)設(shè)計(jì)，在物理上減少了傳送同步時(shí)間信息的硬件連線，降低了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本。同時(shí)也極大的減小了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并在降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的前提下同時(shí)增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的可靠性。如表1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于FPGA的實(shí)現(xiàn)，本文提出了一種系統(tǒng)內(nèi)主時(shí)鐘與從時(shí)鐘間的硬件時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方案，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用到OTN/PTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的多種接口板卡上。實(shí)際的系統(tǒng)同步測(cè)試結(jié)果表明，該方案在保持同步性能同等情況下，將原來(lái)的時(shí)間同步的布線數(shù)量降低到原來(lái)的30%，同時(shí)減少了約50%的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度及工作量。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)移動(dòng)高精度時(shí)間同步1588v2時(shí)間接口規(guī)范[S].中國(guó)移動(dòng)通信有限公司發(fā)布，2010.

[2]中國(guó)移動(dòng)高精度時(shí)間同步1PPS+TOD時(shí)間接口規(guī)范[S].中國(guó)移動(dòng)通信有限公司發(fā)布，2010.

作者單位

上海貝爾股份有限公司 上海市 201206