基于ARM-WinCE平台的时钟同步设计

摘要：时钟同步是分布式系统的核心技术之一，为实现基于ARM—WinCE嵌入式系统平台的测试仪器组建分布式测试系统，在介绍IEEE1588精确时钟协议基本原理的基础上，提出了使用具有IEEE1588协议硬件支持功能的DP83640以太网物理层收发器在基于ARM-WinCE的嵌入式系统平台上实现时钟同步的设计方案，给出了硬件设计的接口电路和软件设计框架。经测试该方案可达到不低于1μs的同步精度。
关键词：时钟同步；IEEE1588；ARM；WinCE；DP83640

随着计算机技术、网络通信技术的进步，组建分布式网络化测试系统，提高测试效率、共享信息资源，已成为现代测试系统发展的方向。分布式测试系统通过网络等通信媒介把分布于各测试点、独立完成特定功能的测试设备连接起来，以达到测试资源共享和协同工作等目的。时钟同步是分布式系统的核心技术之一，其目的是维护一个全局一致的物理或逻辑时钟，使得系统内各个节点中与时间有关的信息、事件及行为有一个全局一致的解释。IEEE1588精确时钟协议是当前分布式测试系统中时钟同步研究的热点。采用硬件支持的IEEE1588协议能够在以太网中不同结点之间实现纳秒级的时钟同步，为工厂自动化、测试和测量以及通信等领域需要高精度时钟同步的应用提供了一种有效的解决方案。本文采用具有IEEE1588精确时钟协议硬件支持功能DP83640芯片在基于ARM和WinCE的嵌入式系统平台上实现IEEE1588协议，为基于嵌入式系统的智能测试仪器组成分布式测试系统奠定了基础。

1 IEEE1588协议原理
IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，简称精确时钟协议(Precision Time Protocol，PIP)。IEEE1588协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备(客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。
IEEE1588时钟协议在进行时钟同步时，主时钟设备按照一定的时间间隔(一般为2 s)周期性地以广播方式发送同步报文(Sync)和同步跟随报文(FollowUp)，且在FollowUp报文中记录Sync报文的发送时间戳t1，而从时钟设备接收Syne报文记录接收时间戳为t2；然后，从时钟设备节点定期发送延迟请求报文(Delay_Req)(一般4～60 s发送一次)，并记录其发送时间戳t3，主时钟设备接收判延迟请求后，记录接收时间戳t4，并给相应从节点发送延迟请求响应报文(Delay_Resp)，该报文信息中包古时间戳t4。通过得到的4个时间戳，可以计算出主从时钟之间的偏移量Toffset和网络传输的线路延迟ms_delay，其过程如图1所示。

得到了从时钟与主时钟之间的时间偏移值，就可以采用适当的调节算法来调节从时钟，最终使得从时钟与主时钟同步。从时钟并不是每个同步周期都需要进行时间同步，而是根据从时钟与主时钟之间的时间偏移值等时间信息来决定是否需要进行时间同步。当主从时钟之间建立起稳定的同步关系后，从时钟还需周期性地监听来自主时钟发布的Sync报文，一旦出现主从时钟之间不处于时间同步的状态，就重新进行上述的时间同步过程，直到重新达到主从时钟之间的时间同步。
IEEE1588协议的运行是由时间戳驱动的，时钟同步精度主要归结为时间戳的定时精度。IEEE1588使用UDP协议发送网络同步报文，基于UDP协议传输的过程都是在TCP／IP协议模型下进行数据包的逐层封装和传递的。要使时钟获得的报文发送时间和报文接收时间相对精确、稳定，且把发送延迟和接收延迟不相等这种因素对计算传播延迟产生的影响减小到最低，最好的解决办法就是在TCP／IP协议栈的底层即物理层对同步报文标记时间戳，标记时间戳的操作越接近物理层，计算得到的主从时钟的时间偏移量和传播线路延迟就越准确。要实现这一目的就必须加入专门的硬件设备。美国国家半导体公司(National Semiconductor)推出的DP83640芯片就是一款集成IEEE1588精确时钟协议硬件支持功能的以太网收发器。芯片内置高精度IEEE1588时钟，并具有由硬件执行的时间戳标记功能，可为接收及发送信息包加入时间标记。采用DP83640的同步系统，可获得纳秒级的同步精度。

2 硬件设计
由于IEEE1588协议运行于以太网，在基于ARM的嵌入式系统上采用DP83640芯片移植IEEE1588协议的硬件基确是为系统增加以太网接口电路。以太网接口电路主要由媒体访问控制(Medium Access Control，MAC)器和物理层(Physical Layer，PHY)收发器两部分构成。MAC控制器芯片实现OSI模型数据链路层的功能，提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。PHY芯片实现OSI模型物理层的功能，定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。ARM处理器、MAC芯片与PHY芯片三者之间的关系是MAC芯片向上通过其处理器接口(Processor Interface)与ARM处理器的高级外设总线(APB)连接，向下通过其媒体独立接口(Media Independent Interface，MII)接口与PHY芯片连接。最终，PHY芯片与RJ45接口连接。
本文使用SAMSUNG公司的S3C2440A型ARM处理器，其内部设有集成MAC控制器，而DP83640芯片只是PHY收发器，因此二者之间还需要增加MAC芯片。由于目前常用的以太网控制器都集成了MAC控制器和PHY收发器，这里选用DAVICOM公司的DM9000以太网芯片，其特点是：具有MII接口可以和片外PHY芯片连接；寄存器操作简单有效；成本低廉。
实现S3C2440A与DM9000连接，必须对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换，其连接关系如图2所示。