系統時間同步改進型設計方案

黃華明 黃榮

摘 要 本文介紹了基于IEEEl588V2的精確時鐘同步協議（PTP）系統中，為解決系統主時鐘板卡與各從時鐘子板卡之間的時間精確同步的設計復雜性，并減少板卡間為實現時間同步所必須的硬件走線互聯以減低成本，而提出的一種簡化的低成本設計方案。

【關鍵詞】IEEE1588V2 精確時鐘同步協議 主時鐘 從時鐘 時間同步

1 引言

精確時鐘同步系統的實現是基于IEEE1588V2協議標準的[1]。在一個IEEE1588V2協議系統中，對一個時鐘節點設備包含的幾塊或多塊硬件板卡，需要實現節點內的時間同步，以滿足該節點各端口可作為邊緣時鐘端口的應用場合。

在一個設備的多塊板卡，通常是通過背板的互聯來進行數據通信的。作為時間同步的物理載體，時間同步所需的信號互聯線也是需要經過背板的。所以在有一個可靠的傳輸協議保證時間同步穩定性的前提下，如何減少時間同步所必須的信號數量，對于這種經過背板的多板卡信號互通，在降低設計復雜度和實現成本上，都具有非常重要的意義。

2 主從時鐘時間同步的實現方法。

本文關注的重點是在實現IEEE1588V2時間同步[2]硬件實現中，如何通過一個穩定的時間傳輸協議，使得時間傳輸所需的硬件信號互聯線達到最少化。

2.1 最初典型設計

時間同步算法依賴三個硬件互聯信號：

25兆赫茲發送時鐘：用于同步傳輸時間信息的時鐘信號。

心跳控制信號：用于標記開始傳輸時間信息的同步信號。

串行時間信息：承載80比特位的標準IEEE1588時間值。

主時鐘在125兆赫茲的發送時鐘域產生主時間計數和25兆赫茲的同步傳輸時鐘，并且在25兆赫茲時鐘產生待發送的串行化時間計數，最后通過背板將時間信息連同同步心跳信號以25兆赫茲的同步方式發送到從時鐘。從時鐘基于心跳同步信號使用25兆赫茲時鐘接收同步時間信息并解串。最后將解串后的并行同步時間信號經過跨時鐘域處理，在從時鐘的125兆赫茲時鐘域下同步本地時間發生器，從而最終實現主從時鐘的時間定時同步。

這種設計有2個明顯的缺點：

（1）需要3根信號線來實現時間同步傳輸。這對于硬件設計來說是很不經濟和不方便的，尤其對于連線過背板的情況下。

（2）設計中需要時間信息的發送串行化、接收解串、并行時間信息的跨時鐘域處理等過程。所以對于芯片的設計也是相對比較復雜的。

2.2 優化設計

優化設計去掉了心跳同步控制信號，在主從時鐘之間減少一根硬件互聯線。將時間同步信息疊加到串行時間信息的前部，用一個時鐘周期的低電平表示。其他部分的設計與上述保持一致。

但優化設計仍然存在一些缺點：

（1）盡管為實現時間同步在主從時鐘之間已經去掉一根硬件連線，但仍然需要2根信號線來實現時間同步傳輸。

（2）設計中仍然需要時間信息的發送串行化、接收解串、并行時間信息的跨時鐘域處理等過程。所以對于芯片的設計還是相對比較復雜的。

2.3 改進型設計方案

在大多數應用場景下，只需要進行一秒內的時間精確同步。一秒以上時間信息可以通過相對較慢的方法如軟件方法進行同步。而且在精確時間同步系統中的大多數情況下，其實是不需要秒以上的時間信息的。所以我們新設計的秒內信息同步能夠滿足系統的應用需求。

如上圖所示，在主時鐘側，首先基于125兆赫茲的發送主時鐘產生占空比為50%的25兆赫茲同步發送時鐘并同時產生主時鐘的時間計數。當主時鐘的時間計數器在秒翻轉邊界時，產生一個整秒信號脈沖，此整秒信號脈沖寬度為5個周期的125兆赫茲的發送主時鐘。當25兆赫茲時鐘發生器檢測到整秒信號脈沖時，將產生的25兆赫茲同步發送時鐘占空比調整為20%。

從時鐘側有一個時鐘檢測功能模塊，當檢測到過來的25兆赫茲同步發送時鐘的占空比為20%時，將整秒信號從該25兆時鐘中恢復出來。同時用從時鐘的125兆赫茲時鐘檢測到來的25兆赫茲同步發送時鐘的上升沿，每檢測到一個上升沿，從時間發生器的計數器增加40納秒。使用這種時鐘邊沿檢測并推動時間步進計數，同時利用整秒信號進行秒內同步，最終產生與主時鐘時間同步的從時鐘時間計數器。

3 結果及分析

本文描述的新的設計方案，能夠有效的傳送系統內的時間信息，滿足時間同步系統的性能需求。

另一方面，相對于其他的同類設計，在物理上減少了傳送同步時間信息的硬件連線，降低了系統的實現成本。同時也極大的減小了系統實現的復雜度，并在降低實現復雜度的前提下同時增強了設計的可靠性。如表1所示。

4 結束語

基于FPGA的實現，本文提出了一種系統內主時鐘與從時鐘間的硬件時間同步實現方案，該技術實現被廣泛應用到OTN/PTN網絡設備的多種接口板卡上。實際的系統同步測試結果表明，該方案在保持同步性能同等情況下，將原來的時間同步的布線數量降低到原來的30%，同時減少了約50%的實現復雜度及工作量。

參考文獻

[1]中國移動高精度時間同步1588v2時間接口規范[S].中國移動通信有限公司發布，2010.

[2]中國移動高精度時間同步1PPS+TOD時間接口規范[S].中國移動通信有限公司發布，2010.

作者單位

上海貝爾股份有限公司 上海市 201206