同一網(wǎng)絡(luò)，同一瞬間！一起玩轉(zhuǎn)1588！

在HPM6700/6400系列微控制器上，提供了2個以太網(wǎng)控制器。都可以支持IEEE1588-2002和IEEE1588-2008標(biāo)準(zhǔn)。方便用戶實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步。

本文提供了與HPM6700/6400系列微控制器基于網(wǎng)絡(luò)的IEE1588的功能示例和使用指南。

IEEE1588簡介

IEEE1588的全稱是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（PTP – Precision Time Protocol）。目前為2個版本，分別為IEEE1588(v1)和IEEE1588(v2)。IEEE1588的目的是為了對全網(wǎng)設(shè)備時鐘同步，這對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在控制和采集同步尤為重要。本節(jié)簡單介紹IEEE1588的基礎(chǔ)知識，詳細(xì)的協(xié)議描述，請參考相關(guān)網(wǎng)站。

1588的同步原理

1588的原理是通過網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備對從設(shè)備發(fā)送特殊的報文并以此和從設(shè)備進(jìn)行交互得出時間的偏離以進(jìn)一步將設(shè)備時鐘同步。如下圖所示：

主端口在t1時刻發(fā)送同步報文，并在接下來的報文中發(fā)送t1點(diǎn)的時間，從端口在t2時間點(diǎn)收到同步報文并在t3時刻發(fā)送響應(yīng)給主端口，主端口在收到從端口的響應(yīng)后再將t4時刻發(fā)送給從端口。

在這個過程中，得到網(wǎng)絡(luò)延遲和時鐘偏差。

Toffset=((t2 - t1) + (t4 – t3)) / 2

Tdelay=((t4 - t1) -(t3 – t2)) / 2

在整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，所有的?jié)點(diǎn)定期的進(jìn)行時鐘同步，最終達(dá)到納秒（IEEE1588-2008）或者微秒級（IEEE1588-2002）的精度。

HPM67/64系列1588功能介紹

IEEE1588本身是基于以太網(wǎng)提出的，因此其詳細(xì)使用以及寄存器描述請參見HPM6700/6400用戶手冊的第60章。

使用1588功能，首先要為該功能賦予時鐘源。因?yàn)镠PM6700/6400有2個以太網(wǎng)控制器，ENET0, ENET1。因此，控制器為1588設(shè)立了2個時鐘源，分別為：

CLOCK_TOP_PTP0；

CLOCK_TOP_PTP1。

HPM6700/6400微控制器上，CLOCK_TOP_PTP0/1分別作為ENET0/1的1588時間戳計(jì)數(shù)器的運(yùn)行時鐘，其默認(rèn)頻率選擇是使用PLL1CLK1輸出， PLL1CLK1的默認(rèn)輸出為400MHz，默認(rèn)時鐘分頻系數(shù)為4，因此CLOCK_TOP_PTP0/1的默認(rèn)頻率為100MHz。用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)置成不同的頻率作為輸入。

clock_set_source_divider(clock_ptp0, clk_src_pll1_clk1, 4);clock_set_source_divider(clock_ptp1, clk_src_pll1_clk1, 4);

用戶需要設(shè)置以下幾個寄存器來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的1588功能

TS_CTRL 時間戳控制寄存器

SUB_SEC_INCR 次-秒增量寄存器

SYST_SEC 系統(tǒng)時間 – 秒寄存器

SYST_NSEC 系統(tǒng)時間 – 納秒寄存器

SYST_SEC_UPD 系統(tǒng)時間 – 秒更新寄存器

SYST_NSEC_UPD 系統(tǒng)時間 – 納秒更新寄存器

TS_ADDEND 時間戳加法寄存器

當(dāng)確定好輸入頻率后，用戶需要在SUB_SEC_INCR中填寫增量值。它的填寫主要依靠2個因素，一個是TS_CTRL中的第9位TSCTRLSSR，另一個因素是前面提到的輸入頻率。

TSCTRLSSR是計(jì)數(shù)方式的選擇，當(dāng)其置1時，SYS_NSEC納秒寄存器到0x3B9AC9FF時翻轉(zhuǎn)；當(dāng)其置0時，SYS_NSEC納秒寄存器到0x7FFFFFFF時翻轉(zhuǎn)。SYS_NSEC每翻轉(zhuǎn)一次代表時間上的1秒鐘。因此，當(dāng)TSCTRLSSR置1時，SYS_NSEC中的1代表1ns；當(dāng)TSCTRLSSR置0時，SYS_NSEC中的1代表0.465ns。SUB_SEC_INCR.SSINC中的數(shù)代表著輸入頻率所對應(yīng)的時間，它會根據(jù)SYS_NSEC中1個計(jì)數(shù)所代表的時間進(jìn)行相應(yīng)的折算。

例如，當(dāng)輸入頻率為100MHz時，一個clock是10ns，當(dāng)TSCTRLSSR置1時，則SUB_SEC_INCR.SSINC設(shè)為10（10/1）；當(dāng)TSCTRLSSR置0時，則SUB_SEC_INCR.SSINC設(shè)為21（10/0.465）。

建議用戶將TSCTRLSSR置1，這樣理解和計(jì)算都更方便。

SYST_SEC和SYST_NSEC為MAC維護(hù)的時間戳。SYST_SEC為秒級時間戳，SYST_NSEC為納秒級時間戳。其中SYS_NSEC會根據(jù)TSCTRLSSR的設(shè)置在不同的數(shù)據(jù)下翻轉(zhuǎn)。當(dāng)TSCTRLSSR置1時，它將會在0x3B9AC9FF時翻轉(zhuǎn)，當(dāng)TSCTRLSSR置0時，它將會在0x7FFFFFFF時翻轉(zhuǎn)。

SYST_SEC_UPD和SYST_NSEC_UPD為更新時間戳的寄存器，如果需要減少納秒時間，需要將SYST_NSEC_UPD中的最高位置1，如果需要增加納秒時間則需要將SYST_NSEC_UPD中的最高位置0。

假設(shè)時鐘同步算法發(fā)現(xiàn)時鐘偏慢，希望將累加的步長調(diào)整為10.1 ns，這時，可以保持SUB_SEC_INCR.SSINC為10，設(shè)置ADDEND = 0xFFFFFFFF * (0.1) = 0x19999999。此時，可以視為累加的等效步長為10.1 ns。

假設(shè)時鐘同步算法發(fā)現(xiàn)時鐘偏快，希望將累加的步長調(diào)整為9.9 ns，這時，需要設(shè)置SUB_SEC_INCR.SSINC為 9，設(shè)置ADDEND = 0xFFFFFFFF * (0.9) = 0xE6666666。此時，可以視為累加的等效步長為9.9 ns。

注意，以上所有的寄存器的寫入都是需要通過設(shè)置TS_CTRL中相應(yīng)的狀態(tài)位為1，等待此位為0時，認(rèn)為設(shè)置成功。

在先楫提供的SDK中，可以直接調(diào)用

../../hpm_sdk/drivers/src/hpm_enet_drv.c進(jìn)行設(shè)置

void enet_init_ptp(ENET_Type *ptr, enet_ptp_config_t *config)void enet_set_ptp_timestamp(ENET_Type *ptr, enet_ptp_time_t *timestamp)

1588例程分析

在先楫發(fā)布的SDK中，可以找到1588的實(shí)現(xiàn)例程v1（即IEEE1588-2002）

..\..\hpm_sdk\samples\lwip\lwip_ptp\v1

其中包括master和slave， 分別對應(yīng)主端口和從端口。在不改動任何設(shè)置的情況下，用戶需要2塊進(jìn)行測試，一塊作為主端口，另一塊作為從端口。為了測試IEEE1588的時鐘同步性能，我們采用了2塊HPM6750EVK，分別燒寫master和slave的程序。

需要注意一下2塊板子的ip地址應(yīng)該是不同的。默認(rèn)的例程使用的是板子上的RMIIPHY，用戶可以根據(jù)自身的需求更換成RGMII PHY進(jìn)行測試。

1. 代碼分析

初始化系統(tǒng)，首先初始化IO，以太網(wǎng)芯片以及設(shè)置1588的時鐘。

board_init();board_init_enet_ptp_clock(ENET);board_init_enet_pins(ENET);enet_init(ENET);

在初始化以太網(wǎng)芯片成功后，初始化lwip，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，ptp時鐘

enet_ptp_init();lwip_init();netif_config();user_notification(&gnetif);ptpd_Init();

接受網(wǎng)絡(luò)時鐘同步數(shù)據(jù)包，并以此進(jìn)行時鐘校正。如此往復(fù)。

while (1) {ethernetif_input(&gnetif); ptpd_periodic_handle(localtime);｝

2. 測試方法

因?yàn)?588的時鐘精確同步功能需要在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，因此先楫用了2塊HPM6750EVK通過對接的方式測試。在分別燒入了master和slave的程序后，通過網(wǎng)線直接連接板子上的RJ45(J10）端口。如圖所示：

系統(tǒng)上電后，在從端口的串口中顯示

(D 1651074120.060559130) state PTP_SLAVE(D 1651074121.919880830) addForeign: new record (0,1) 1 1 98bc9f:18(D 1651074121.923243890) event MASTER_CLOCK_CHANGED(D 1651074121.925549510) state PTP_UNCALIBRATED(D 1651074121.927681110) toState: Q = 0, R = 5(D 1651074123.919898550) updateOffset(D 1651074123.921597570) updateClock seconds(D 1651074134.003162180) setTime: resetting system clock to 1651074134s 3162050ns(D 1651074134.006781080) initClock(D 1651074134.008349500) one-way delay: 0s 0ns(D 1651074134.011270660) offset from master: -10s -79562820ns(D 1651074134.014279260) observed drift: 0(D 1651074135.999474620) updateOffset(D 1651074136.001174640) one-way delay: 0s 0ns(D 1651074136.004096190) offset from master: 0s 10170ns(D 1651074136.007017370) observed drift: 169(D 1651074137.999480800) updateOffset(D 1651074138.001180620) one-way delay: 0s 0ns(D 1651074138.004101330) offset from master: 0s 14370ns(D 1651074138.007022680) observed drift: 408

3. 測試結(jié)果

通過對結(jié)果的比對，我們將時間戳的偏移值進(jìn)行比較，得到下圖：

從圖中可以看到，在同步之初，時間的偏差較大，但經(jīng)過最初的快速調(diào)整后，時鐘精確在±10us之內(nèi)。這對于IEEE1588-2002來說，已經(jīng)是非常好的效果。

總結(jié)

本文介紹了HPM6700/6400系列微控制器的以太網(wǎng)1588功能的使用和示例的演示。在IEEE1588-2002下，100MHz的網(wǎng)絡(luò)測試中得到了很好的效果。對于1588-2008版本的測試，會在后續(xù)的文檔中推出。