DP83640同步以太网模式：在PTP应用中实现次纳秒精度

1 引言

美国国家半导体产品DP83640的独特性能，即100Mb/s下的同步以太网技术，可在用以太网连接的IEEE1588精密时间协议（PTP）系统之间实现非常精确的同步。采用这种特性，便可工作在要求的网络拓扑约束内，实现PTP应用达到次纳秒级的主从同步精度。同时也能产生一个与主PTP时钟锁定和校准的从结点时钟输出。

本应用注释首先提供了采用同步以太网模式测量主从结点同步所得到的经验结果的总结。然后，提供了与同步以太网模式相关的工作原理和拓扑限制有关的背景信息。接着讨论了典型应用，通过经验数据清楚地解释了采用同步以太网模式的潜在精度。本应用注释适用于下列产品：DP83640

2 测量同步

同步精确性可定义为主时钟计数器和相应的同步从时钟计数器之间的瞬间时差。通过测量在特定时间触发的主信号和由本地同步时钟计数器在相同时间触发的相应从信号之间的时间差，可以确定同步精度。通常，在PTP讨论的上下文中，这些触发信号每1秒发生一次，故定义为平均每秒脉冲，或称之为PPS（秒脉冲）信号。

根据主从同步的精确性，也可直接测量控制PTP计数器的主从PTP时钟输出的相位关系。

在扩展周期内重复进行测量，采集的统计数据可提供主从时钟或者PPS信号之间的平均值、标准偏差和一个最大时间或“峰峰值”差。

当连接从器件并与主器件进行同步时，在主从PTP时钟之间确立一个固定的相位关系。采用在特定时间内积累的统计数据的平均值来测量这种固定的相位关系。这种相位关系变化的程度受到内部PTP计数器的精度限制。在DP838640T器件中，内部PTP计数器（或数字时钟）在125MHz频率下以8ns为增量不断更新。因此，固定的相位关系，或者主从器件之间确定的平均值变化范围从+8ns到-8ns。主PTP时钟和从PTP时钟之间的物理层双向路径中的任何不对称也会导致额外的变化。

只要维持同步连接，平均值就会保持恒定。然而，当连接断开并重新建立时，就会确定一个新的，采样时钟限制内的固定平均值。

根据本文的用途，用术语“精度”来描述当确立同步时在符合固定平均值的一个主信号和一个从信号之间测得的标准偏差。

3 结果总结

在为同步以太网工作配置的点对点PTP系统中，正常条件下在扩展周期内进行的测试表明，主时钟到从时钟的同步可获得优于100ps的精度，测量的峰峰值小于1ns。这些结果与同步以太网模式禁止时的类似测试相比大约精确100倍。

经验数据还说明了产生的高达125MHz的从时钟并将其与PTP主时钟连接的网络锁定和校准的性能。采用一个外部精确时钟器件，例如NSCLMK3000系列的器件，可实现更高的锁频时钟。

还需注意，若使能同步以太网模式，可以消除任何本地从参考时钟的不稳定性，因为从PTP时钟被锁定到主时钟上。

4 背景介绍

IEEE1588精密时间协议在主从系统之间提供了网络连接、基于信息包的同步功能。当仅使用纯软件过程时，系统获得的同步精度一般在毫秒数量级。

在PTP使能的点对点连接中使用DP83640提供的硬件主导的优势，有可能实现优于10ns的同步精度。

此外，使能同步以太网模式，在点对点连接中有可能实现次纳秒级的精度。

为了利用同步以太网模式，网络系统必须符合特定的拓扑约束。为了帮助解释这些限制，一些关键参数，器件的内部时钟结构和网络拓扑要求描述如下。

4.1 重要术语

主结点:主结点是已使能精密时间协议（PTP）的一个网络结点，其包含或传播一个主PTP时钟信号和主PTP计数器数据。

从结点:从结点是已使能PTP的一个网络结点，其包含了一个从PTP时钟和计数器。从结点通常会通过网络连到一个主结点。采用PTP将一个从PTP时钟和计数器同步到一个主PTP时钟和计数器。

PTP时钟:一个PTP时钟是与PTP计数器锁定的输出时钟信号源。在DP83640中，本地PTP时钟工作在250MHz，配置时钟用来控制CLK_OUT信号。这种PTPCLK_OUT信号可被编程为250MHzPTP时钟的整除频率，整除数范围从2到255（相应频率为125MHz到0.98MHz）。

PTP计数器TP计数器包含时间信息，并与PTP时钟锁定。在主结点上，PTP计数器是使用精密时间协议时的数据源，目的是同步PTP从结点中的计数器。PTP计数器的增量值为8ns。

本地参考时钟:本地参考时钟用来产生网络流量。本地参考时钟被嵌入到发送的网络信息流，并在接收器结点从网络信息流中恢复。所有以太网物理层器件都采用本地参考时钟源。在DP83640内部的本地参考时钟工作频率为125MHz。

4.2关键的配置要求

当网络结点执行PTP从器件功能时，结点必须连到一个对接点（为结点，开关或者转发器）上，提供到主PTP时钟的通路，PTP协议必须被使能并且是活动的。

此外，对接点必须将其本地参考时钟锁频到PTP主时钟上。如果也要求在主从器件之间进行PTP时钟相位对准，PTP主时钟必须与主PTP计数器进行相位对准。（欲知DP83640中输出时钟相位对准的信息，请参考应用注释AN—1729–“DP83640IEEE1588PTP同步时钟输出”。）还有一点也很重要，仅在用作一个从PTP时钟结点的器件中使能同步以太网模式。在主结点中使能同步以太网模式将会产生不希望的结果。