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1.0 引言
美國國家半導(dǎo)體產(chǎn)品DP83640的獨(dú)特性能，即100 Mb/s下的同步以太網(wǎng)技術(shù)，可在用以太網(wǎng)連接的IEEE1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)非常精確的同步。采用這種特性，便可工作在要求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束內(nèi)，實(shí)現(xiàn)PTP應(yīng)用達(dá)到次納秒級的主從同步精度。同時(shí)也能產(chǎn)生一個(gè)與主PTP時(shí)鐘鎖定和校準(zhǔn)的從結(jié)點(diǎn)時(shí)鐘輸出。
本應(yīng)用注釋首先提供了采用同步以太網(wǎng)模式測量主從結(jié)點(diǎn)同步所得到的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)。然后，提供了與同步以太網(wǎng)模式相關(guān)的工作原理和拓?fù)湎拗朴嘘P(guān)的背景信息。接著討論了典型應(yīng)用，通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)清楚地解釋了采用同步以太網(wǎng)模式的潛在精度。本應(yīng)用注釋適用于下列產(chǎn)品：
DP83640
2.0 測量同步
同步精確性可定義為主時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和相應(yīng)的同步從時(shí)鐘計(jì)數(shù)器之間的瞬間時(shí)差。通過測量在特定時(shí)間觸發(fā)的主信號和由本地同步時(shí)鐘計(jì)數(shù)器在相同時(shí)間觸發(fā)的相應(yīng)從信號之間的時(shí)間差，可以確定同步精度。通常，在PTP討論的上下文中，這些觸發(fā)信號每1秒發(fā)生一次，故定義為平均每秒脈沖，或稱之為PPS（秒脈沖）信號。
根據(jù)主從同步的精確性，也可直接測量控制PTP計(jì)數(shù)器的主從PTP時(shí)鐘輸出的相位關(guān)系。
在擴(kuò)展周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行測量，采集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可提供主從時(shí)鐘或者PPS信號之間的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和一個(gè)最大時(shí)間或“峰峰值”差。
當(dāng)連接從器件并與主器件進(jìn)行同步時(shí)，在主從PTP時(shí)鐘之間確立一個(gè)固定的相位關(guān)系。采用在特定時(shí)間內(nèi)積累的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值來測量這種固定的相位關(guān)系。這種相位關(guān)系變化的程度受到內(nèi)部PTP計(jì)數(shù)器的精度限制。在DP838640T器件中，內(nèi)部PTP計(jì)數(shù)器（或數(shù)字時(shí)鐘）在125 MHz頻率下以8 ns為增量不斷更新。因此，固定的相位關(guān)系，或者主從器件之間確定的平均值變化范圍從+8 ns到-8 ns。主PTP時(shí)鐘和從PTP時(shí)鐘之間的物理層雙向路徑中的任何不對稱也會導(dǎo)致額外的變化。
只要維持同步連接，平均值就會保持恒定。然而，當(dāng)連接斷開并重新建立時(shí)，就會確定一個(gè)新的，采樣時(shí)鐘限制內(nèi)的固定平均值。
根據(jù)本文的用途，用術(shù)語 “精度”來描述當(dāng)確立同步時(shí)在符合固定平均值的一個(gè)主信號和一個(gè)從信號之間測得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
3.0 結(jié)果總結(jié)
在為同步以太網(wǎng)工作配置的點(diǎn)對點(diǎn)PTP系統(tǒng)中，正常條件下在擴(kuò)展周期內(nèi)進(jìn)行的測試表明，主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的同步可獲得優(yōu)于100 ps的精度，測量的峰峰值小于1 ns。這些結(jié)果與同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)的類似測試相比大約精確100倍。
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)還說明了產(chǎn)生的高達(dá)125 MHz的從時(shí)鐘并將其與PTP主時(shí)鐘連接的網(wǎng)絡(luò)鎖定和校準(zhǔn)的性能。采用一個(gè)外部精確時(shí)鐘器件，例如NSC LMK3000系列的器件，可實(shí)現(xiàn)更高的鎖頻時(shí)鐘。
還需注意，若使能同步以太網(wǎng)模式，可以消除任何本地從參考時(shí)鐘的不穩(wěn)定性，因?yàn)閺腜TP時(shí)鐘被鎖定到主時(shí)鐘上。
4.0 背景介紹
IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議在主從系統(tǒng)之間提供了網(wǎng)絡(luò)連接、基于信息包的同步功能。當(dāng)僅使用純軟件過程時(shí)，系統(tǒng)獲得的同步精度一般在毫秒數(shù)量級。
在PTP使能的點(diǎn)對點(diǎn)連接中使用DP83640提供的硬件主導(dǎo)的優(yōu)勢，有可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10 ns的同步精度。
此外，使能同步以太網(wǎng)模式，在點(diǎn)對點(diǎn)連接中有可能實(shí)現(xiàn)次納秒級的精度。
為了利用同步以太網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須符合特定的拓?fù)浼s束。為了幫助解釋這些限制，一些關(guān)鍵參數(shù)，器件的內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟竺枋鋈缦隆?/p>
4.1 重要術(shù)語
主結(jié)點(diǎn): 主結(jié)點(diǎn)是已使能精密時(shí)間協(xié)議（PTP）的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，其包含或傳播一個(gè)主PTP時(shí)鐘信號和主PTP計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。
從結(jié)點(diǎn): 從結(jié)點(diǎn)是已使能PTP的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，其包含了一個(gè)從PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器。從結(jié)點(diǎn)通常會通過網(wǎng)絡(luò)連到一個(gè)主結(jié)點(diǎn)。采用PTP將一個(gè)從PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器同步到一個(gè)主PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器。
PTP 時(shí)鐘: 一個(gè)PTP時(shí)鐘是與PTP計(jì)數(shù)器鎖定的輸出時(shí)鐘信號源。在DP83640中，本地PTP時(shí)鐘工作在250 MHz，配置時(shí)鐘用來控制CLK_OUT信號。這種PTP CLK_OUT信號可被編程為250 MHz PTP時(shí)鐘的整除頻率，整除數(shù)范圍從2到255（相應(yīng)頻率為125 MHz到0.98 MHz）。
PTP 計(jì)數(shù)器: PTP計(jì)數(shù)器包含時(shí)間信息，并與PTP時(shí)鐘鎖定。在主結(jié)點(diǎn)上，PTP計(jì)數(shù)器是使用精密時(shí)間協(xié)議時(shí)的數(shù)據(jù)源，目的是同步PTP從結(jié)點(diǎn)中的計(jì)數(shù)器。PTP計(jì)數(shù)器的增量值為8 ns。
本地參考時(shí)鐘: 本地參考時(shí)鐘用來產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)流量。本地參考時(shí)鐘被嵌入到發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)信息流，并在接收器結(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)信息流中恢復(fù)。所有以太網(wǎng)物理層器件都采用本地參考時(shí)鐘源。在DP83640內(nèi)部的本地參考時(shí)鐘工作頻率為125 MHz。
4.2 關(guān)鍵的配置要求
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)執(zhí)行PTP從器件功能時(shí)，結(jié)點(diǎn)必須連到一個(gè)對接點(diǎn)（為結(jié)點(diǎn)，開關(guān)或者轉(zhuǎn)發(fā)器）上，提供到主PTP時(shí)鐘的通路，PTP協(xié)議必須被使能并且是活動的。
此外，對接點(diǎn)必須將其本地參考時(shí)鐘鎖頻到PTP主時(shí)鐘上。如果也要求在主從器件之間進(jìn)行PTP時(shí)鐘相位對準(zhǔn)，PTP主時(shí)鐘必須與主PTP計(jì)數(shù)器進(jìn)行相位對準(zhǔn)。（欲知DP83640中輸出時(shí)鐘相位對準(zhǔn)的信息，請參考應(yīng)用注釋AN—1729 –“DP83640 IEEE 1588 PTP 同步時(shí)鐘輸出”。）還有一點(diǎn)也很重要，僅在用作一個(gè)從PTP時(shí)鐘結(jié)點(diǎn)的器件中使能同步以太網(wǎng)模式。在主結(jié)點(diǎn)中使能同步以太網(wǎng)模式將會產(chǎn)生不希望的結(jié)果。
4.3 使能同步以太網(wǎng)模式
僅在指定為從結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)上使能同步以太網(wǎng)模式。只要設(shè)定PHYCR2擴(kuò)展頁0寄存器的SYNC_ENET_EN位為1（Reg 0x1C:13=1），便可使能同步以太網(wǎng)模式。
4.4 DP83640 時(shí)鐘結(jié)構(gòu)
DP83640具有幾個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，包括本地參考時(shí)鐘，一個(gè)以太網(wǎng)接收時(shí)鐘和一個(gè)PTP時(shí)鐘信號源。同時(shí)還包括一個(gè)內(nèi)部的PTP數(shù)字計(jì)數(shù)器，以及可以控制數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP時(shí)鐘速率（頻率）的邏輯（參見圖1）。
圖1. 同步以太網(wǎng)模式被禁止的DP83640內(nèi)部時(shí)鐘
一個(gè)外部晶振或振蕩器對本地參考時(shí)鐘提供了激勵(lì)。本地參考時(shí)鐘成為器件中所有時(shí)鐘的核心。從接收的以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)流中恢復(fù)接收時(shí)鐘，并鎖定到對接點(diǎn)中的發(fā)送時(shí)鐘。在正常工作時(shí)，利用IEEE 1588 PTP包將從器件中的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器與主器件中的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器相匹配。通過控制速率調(diào)節(jié)邏輯可完成這種匹配。
使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)，將PTP時(shí)鐘，數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP速率調(diào)節(jié)邏輯的控制從本地參考時(shí)鐘切換到已恢復(fù)的接收時(shí)鐘上（參見圖2）。這具有將從系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器鎖定到主系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器的效果。最后，同步精確性會顯著增加（參見圖3）。
圖 2. 同步以太網(wǎng)模式被使能的DP83640內(nèi)部時(shí)鐘
圖3. 在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲型揭蕴W(wǎng)模式使能的DP83640的工作框圖
4.5 系統(tǒng)拓?fù)涞目紤]
如前所述，為了以同步以太網(wǎng)模式工作，主結(jié)點(diǎn)參考時(shí)鐘必須與主PTP時(shí)鐘鎖定。這是當(dāng)DP83640本地參考時(shí)鐘采用PTP數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP時(shí)鐘時(shí)的默認(rèn)配置。如果在主系統(tǒng)中采用一個(gè)外部的PTP時(shí)鐘源，可以用外部PLL將參考時(shí)鐘源與外部PTP時(shí)鐘鎖定。
