基于SoC的IEEE1588时钟同步系统的设计与研究

发布时间：2020-04-17 05:51

【摘要】：当今社会已步入信息时代,随着分布式网络广泛普及,许多应用都对时钟同步提出了极为严苛的需求,导致许多企业开发了仅满足自身需求,不同精度的时钟同步系统。如何快速有效的研发一种通用时钟同步系统,满足不同频率时钟的对时需求,提供精确有效的时钟同步服务,是当前超大规模通信芯片通信时钟优化处理迫切需要解决的关键问题。国际上,针对通信系统时钟同步需求,颁布了高精度对时同步协议IEEE1588,遵循IEEE1588标准集成开发的同步系统具有优点包括:(1)在不增加网络负荷的情况下完成高精度系统时钟同步;(2)能够满足不同频率、不同类型的子时钟高精度对时,实现系统中各模块间时钟同步处理。本文面向分布式网络系统相关实时性的问题,基于一款通信SoC,遵循IEEE1588协议,改善提升系统时钟同步精度,设计实现了亚微秒级别时钟同步精度对时模块。本文主要工作如下:(1)对IEEE1588协议进行细致研究,详细分析了各种时钟模型及适用范围,以及与此相对应的对时时钟分类方法与实现要点,包括:搭建同步通信系统与模型、研究系统对时操作实现细节以及内部时间戳采集方法等。论文进一步面向通信SoC中时钟同步模块的设计与实现,研究了时钟同步算法、PTP消息格式、误差分析方法以及误差延时处理办法。(2)论文分析了通信SoC的时钟同步需求,IEEE1588时钟同步模块的相关开发环境,规划了具体的模块外部接口。在设计中,本文将同步模块划分为:发送/接收包解析与处理模块;接口与信号同步模块;控制状态寄存器模块以及本地时钟同步模块等五个功能模块。论文对各功能模块进行Verilog代码实现,在基于模块功能划分的基础上,设计的Verilog代码具有较好的可读性,另外通过对设计模块的封装,能够给外部接口提供主流总线接口调用(AXI主接口与APB从接口),具有较好的兼容性和移植性。(3)基于设计模块,论文对验证方法进行分析,给出了验证方案,搭建了模块级验证平台,针对不同时钟模式、不同设备类型、不同报文消息进行了基础收发验证。验证结果表明,依照论文方案设计的模块可正常进行传输操作,成功实现了时间戳捕获功能。另一方面,论文对系统时钟同步功能进行验证,针对两设计模块消息交互,将其集成至系统平台进行验证,通过对不同对时模式的逐一验证,基于对输出信号脉冲与时间戳的采集,验证了设计功能的正确性。(4)最终,本设计基于一款通信SoC的以太网IP进行开发集成,为满足该模块分布式网络的传输需求,设计实现了针对以太网包、IPv4与IPv6包格式的解析处理模块。另外,通过对收发包解析模块进行调整,本设计可移植至其它分布式网络系统,设计具有良好的可移植性,能满足不同通信SoC以太网模块对时同步需求。
【图文】：

发送波,主设备

对寄存器依次写入 0xffff_ffff、0xaaaa_aaaa、0x8765_4321、0x5555_5555、0x1234_5678 以及 0x0000_0000 数据信息。为保证验证的严谨性，写入操作与数据读取操作需交替进行，并通过硬件比较两组信息得出相应验证结果。4.4 基于模块级的时间戳发送功能验证4.4.1 普通/边界时钟主模式时间戳发送验证思路：基于 4.2.1 通用配置，将设备模式配置为普通/边界时钟主模式，使能一步时间戳功能。通过 testcase.v 文件配置发送 SYNC，Delay_Req，Pdelay_Req，Pdelay_Resp 消息。由于这四个报文均为事件类型报文，按协议规定均可进行时间戳捕获操作，但须与设备模式相匹配。本验证项中设备将配置为普通/边界时钟主模式，，由以上章节可知该模式下，仅有 SYNC 报文进行相应的时间戳采集操作，具体验证截图如下；第四章 IEEE1588对时模块的模块级验证

发送波,主设备,时间戳

4.4 基于模块级的时间戳发送功能验证4.4.1 普通/边界时钟主模式时间戳发送验证思路：基于 4.2.1 通用配置，将设备模式配置为普通/边界时钟主模式，使能一步时间戳功能。通过 testcase.v 文件配置发送 SYNC，Delay_Req，Pdelay_Req，Pdelay_Resp 消息。由于这四个报文均为事件类型报文，按协议规定均可进行时间戳捕获操作，但须与设备模式相匹配。本验证项中设备将配置为普通/边界时钟主模式，由以上章节可知该模式下，仅有 SYNC 报文进行相应的时间戳采集操作，具体验证截图如下；图 4.5 主设备发送波形 1
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN47;TP393.11

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