1 概述

1588是IEEE規范定義的網絡實時同步標準。它提供一種通過網絡信息交互以獲得精準時鐘信息的標準。和在廣域網上的NTP協議比較，1588最新標準提供高于納秒級別的時鐘精度，可以用來滿足要求在一個相對小的空間范圍內對時鐘同步有嚴格要求的應用場景，例如基站同步，音視頻網橋（AVB)，工業控制，產線控制，軍事應用等。

KeyStone架構是TI推出的高性能多核架構，該架構目前已演進了兩代——KeyStone1 和KeyStone2。基于KeyStone架構，TI推出多款針對基站和網絡應用的多核芯片。

KeyStone1家族基于40nm工藝，包括如下器件型號：

TCI6616

TCI6618

TCI6614 和TCI6612

TMS320C6678、TMS320C6674、TMS320C6672 等

KeyStone2家族基于28nm工藝，包括如下器件型號：

TCI6636K2H

TCI6634K2K

TCI6638K2K

TCI6630K2L

本文首先介紹IEEE1588的基本原理，然后以常見的基于PHY的IEEE1588實現方案為參考，介紹KeyStone架構上支持IEEE1588的硬件功能。同時，本文總結了在KeyStone1芯片上實現IEEE1588方案需要注意的實現細節，并對KeyStone2芯片的1588方案做初步介紹。

2 IEEE1588時鐘同步原理

IEEE1588使用精準時間協議PTP(Precision Timing Protocol)，通過端到端的報文交互獲得時鐘參考信息，矯正本地時鐘頻率和相位。1588協議基于兩個假設條件：第一，在時鐘源設備和受時鐘設備之間，網絡報文傳輸時間是對稱的。也就是說一個報文從時鐘源設備到受時鐘設備的傳輸時間等于報文從受時鐘設備到時鐘源設備的傳輸時間相同；第二，在PTP報文交換過程當中，本地時鐘的漂移可以忽略不計。

如圖所示，在經過sync->delay_request->delay_response消息交互以后，受時鐘設備獲得4個時間值。以太網報文在兩個設備之間的環路時延可以計算為：

Troundtrip=(t4-t1)-(t3-t2)

假設包傳輸時延是對稱的，那么單路時延是：

Ttripdelay=（(t4-t1)-(t3-t2))/2

從時鐘設備的時鐘和主時鐘的差值是：

Tdelta=t2-(t1+Ttripdelay)

實際部署時，時鐘源發送sync消息，從設備根據多個sync消息來計算本地時鐘的偏差。當從設備需要同步本地時鐘相位的時候，發送delay_req消息，時鐘源發送delay_response，從設備根據獲得的4個時間值來估計相位的偏差。

對于時鐘源設備，如果在發送sync報文時所帶的時間戳就是報文發送時采集的準確時間，這種模式叫做single step模式。如果發送sync報文的時候所帶的時間戳只是一個近似時間，sync報文發送的準確時間不能在發送sync報文的時候獲得或者實時插入到sync報文中，時鐘源設備需要發一個follow up消息報文，用來傳遞sync 報文的準確發送時間，這種模式叫做two step模式。下面介紹的PHY 方案支持時鐘源single step，TI的KeyStone架構支持時鐘源two step模式。

3 1588芯片實現方案

根據打時間戳的方式不同，常見的1588方案分為軟件時間戳方案和硬件時間戳方案。軟件方案通常是通過軟件手段在網絡報文的接收中記錄PTP報文接收或發送時間，處理靈活，可以根據應用場景靈活處理PTP協議報文，支持多種封裝格式。但是因為軟件中斷的時間抖動大，軟件時間戳方案的精度較差，在對精度要求不高的情況下使用。硬件方案通過特殊硬件解析PTP 報文，并用硬件記錄報文發送或接收時間。硬件方案精度高，但是需要特殊硬件解析PTP報文，在特殊場景中，例如PTP over IPSec，報文經過加密，硬件無法解析PTP報文。根據硬件方案獲取報文收發時間地點不同，硬件方案又分在PHY上集成的1588方案和MII集成的1588方案等。

下面先簡單介紹一下TI基于PHY的硬件解決方案作為參考，然后著重介紹KeyStone架構上的基于MII和PA的1588 方案。

3.1 以太網PHY1588方案(DP83640)

DP83640[11]是一款百兆網口PHY，集成1588功能，對外提供校準過的時鐘和PPS信號，同時還支持同步以太網功能，直接從物理層獲得遠端時鐘。在支持同步以太網的情況下，使用1588做相位調整，實驗表明最終的時鐘偏差精度可以達到納秒以下。

83640 timestamp模塊維護一個本地的1588計數器，包括32bit的秒計數和30bit的納秒計數。PTP報文中要求的48bit秒計數中的高16位需要軟件維護。上層軟件在發送一個1588報文的時候，時間戳中秒計數的高16位由軟件設置的，低32位設置為0。

報文解析模塊用來匹配解析PTP報文。83640支持1588Annex D&E和Annex F格式的報文。當PTP報文送至PHY時，報文解析硬件檢測到這個PTP報文的時鐘，在報文發出時，把本地的時間戳寫到PTP報文里面，并修改相關的CRC 和CHKSUM值。83640支持1588 single step模式的時鐘源。在報文接收方向，同樣有報文解析硬件。在解析到PTP報文以后，接收報文的準確時間戳可以插入在報文里，或者通過控制接口上報。

83640的1588時鐘模塊對外提供頻率控制接口，軟件通過控制寄存器可以調整輸出的時鐘頻率。1588時鐘模塊根據上層軟件的配置，對1588時鐘模塊的輸入時鐘信號微調，然后分頻輸出。時鐘調整是通過調整每個時鐘周期的時間來實現的。在每個時鐘周期調整的單位是2-32ns。在正常模式下，這個調整機制用來補償本地時鐘和時鐘源的差距。在長期工作以后產生累積同步誤差時，軟件可以調整寄存器的值，在一定時間內，對頻率向上或者向下微調，以補償相位差距。當在相位補償以后，恢復正常頻率補償模式。

軟件協議棧通過協議處理以后獲得本地的時鐘與時鐘源的絕對時間差值，然后通過寄存器調整本地絕對時間戳。在修改時，軟件把絕對時間差值寫入寄存器，然后使能修改。這種方法適用初始同步時單次校正本地絕對時間戳。如在正常工作中出現累積相位偏差，應該使用前面介紹的微調方法，避免輸出時鐘抖動。

應用層通過設置83640的trigger control模塊來控制輸出PPS 或者其他同步信號。應用可以設置在timestamp 的哪些具體時刻某個GPIO管腳可以發生反轉。trigger的輸出可以線與并輸出到GPIO管腳，通過線與可以是輸出復雜的周期波形。

83640方案實現簡單，直接輸出矯正時鐘及相位信號，但是對于復雜傳輸場景支持困難；而且相比不包含IEEE1588功能的PHY芯片，83640的成本要高出許多。

3.2 KeyStone1 1588方案

KeyStone架構是TI推出的高性能多核架構，現在已經有KeyStone1和KeyStone2兩種架構。KeyStone架構中也包含了對IEEE1588功能的支持。

KeyStone1系列芯片的1588方案包括兩個硬件部分：記錄時間戳，發送同步脈沖。KeyStone1支持two step的時間戳模式，同時也能支持1588協議中Annex D&E和Annex F規定的PTP報文解析。

對于記錄時間戳，KeyStone1對于Annex D&E和Annex F采用不同的硬件來支持。Annex D&E使用以太網協處理（NetCP）里面的包加速器（PA）來支持；Annex F報文使用以太網交換機（GE Switch）里面的CPTS模塊來支持 [12-13]。

對于同步信號的輸出，KeyStone1里面需要通過Timer64[14]來完成。軟件通過CPTS或者PA獲取到時間戳后，計算需要調整的頻率和相位，然后通過配置Timer64的周期寄存器來更改Timer64的輸出周期，調整輸出的相位信息；通過SPI接口調整外部的VCXO的輸出頻率，矯正本地時鐘頻率。

3.2.1 Annex D&E PTP報文處理

PA內部會維護一個48bit的計時器，該計時器的頻率與PA的頻率一致（一般是350MHz）。由于Annex D&E報文的承載方式為IP/UDP承載（報文模式為IPv4和IPv6），當用戶收到或者發送一個IPv4或IPv6的PTP報文時，在PA 側會記錄一個報文接收（或發送）的時間戳，這個時間戳只有32bit（為48bit中的低32bit）。這個時間戳保存在用戶指定的QMSS的某個Queue的描述符里面。

用戶從Queue中提取出該描述符：如果是接收，用戶可根據描述符信息解析報文類型，獲取報文內容，同時讀取32bit時間戳并換算成絕對時間。如果是發送，用戶只需讀取時間戳，轉換為1588 48bit絕對時間后按照1588 two step的規則再做報文發送。

3.2.2 Annex F PTP報文處理

GE Switch模塊上的CPTS模塊支持對1588 Annex F（以太網封裝）的PTP報文解析，支持VLAN。在CPSW邏輯匹配到PTP報文時，會觸發一個硬件信號給CPTS模塊用來觸發時間戳獲取。

CPTS 的時間戳模塊維護一個32bit的timer，根據配置，這個timer可以工作在二分之一CPU主頻上。這個timer 是一個free run timer。軟件通過這個timer換算得到1588的32bit納秒時鐘和48bit秒時鐘。因為timer只有32bit，所以軟件需要處理timer反轉事件，用來維護秒信息。CPTS得到時間事件以后，會將PTP報文的消息類型和Sequence ID等信息壓入EVENT FIFO中，并觸發中斷讓用戶處理。

3.2.3 同步信號的產生

同步信號需要通過Timer64來產生。由于Timer64，PA以及CPTS都是共用KeyStone外部的VCXO，因此從時間源上保證各個計時器之間沒有累積誤差。這樣計算出來的各個絕對時間也是固定不變的。

關于同步信號的時間戳，有兩點需要說明：

1.KeyStone芯片的1588功能不維護絕對時間戳，時間信息是從CPTS timer或者PA的timer換算出來。這樣也不支持對1588報文發送時實時修改，所以在用KeyStone芯片做時鐘源時，芯片只支持two step模式。

2.輸出時鐘方案需使用KeyStone1芯片上的定時器的輸出。因為CPTS（或PA）上打時間戳的計數器和定時器使用的時鐘雖然是同源，但是相位不同，產生的PPS時鐘時，需要軟件參與校正兩個計數器，并對記錄相應的相位差。具體實現時，需要首先對CPTS（或PA）里面的計數器和選定的Timer64計數器相差相位進行計算。軟件首先操作CPTS（或PA）寄存器，觸發一個CPTS時間戳記錄事件（或者發起一個讀取PA時間戳寄存器的命令），然后馬上讀取timer64的值。考慮到cache問題以及硬件總線上的競爭可能性，軟件應在一個循環內多次執行這個操作，保證執行程序加載到L1 cache中，兩個時鐘之間的相位差應該可以通過循環幾次獲得的值平均得到。

3.3 KeyStone2 1588方案

KeyStone2架構的TI芯片對1588的支持做了改進和增強。CPTS模塊支持同步以太網（Annex F）和1588 Annex D &E的報文。在KeyStone2芯片中，PPS輸出是直接由CPTS邏輯驅動的。軟件通過設置相關寄存器設置下一個PPS 輸出時timestamp的值，當計數器跑到設置的值的時候，硬件觸發PPS信號輸出。

相比KeyStone1的方案，KeyStone2的主要優點在于：

1.方案簡單，涉及到的硬件和底層器件更少

KeyStone1需要PA，CPTS，Timer64，QMSS等外設和加速器來支持整套方案，而KeyStone2只需要CPTS一個模塊就可以支持Annex D&E和Annex F的PTP報文，同時也支持同步信號的輸出；

2.時間戳個數減少，降低了計算復雜度

KeyStone1里面需要計算包括PA時間戳，CPTS時間戳以及Timer64的時間戳在內的共計3個時間戳與PTP報文的真實時間的絕對時間相差；KeyStone2里面只有CPTS一個時間戳需要計算；

3.方案全由硬件邏輯完成，徹底避免了軟件干預同時也提高了同步精度

KeyStone 1的方案由于記錄時間戳的時間源（PA和CPTS）與發送同步信號的時間源（Timer64）是不同的，因此在系統運行的時候需要軟件計算不同時間源的絕對時間差，這樣才能在后面的時間同步中精確調整時間。這里有軟件讀取并計算時間差的工作，這部分工作不可避免的存在軟件誤差，雖然可以通過多次計算取平均等統計手段縮小誤差，但還是對精度存在一定的影響。KeyStone2中，記錄時間戳和發送同步脈沖都在CPTS中，因此無需計算兩者的時間差，這樣就避免了軟件干預，也提高了同步精度。

4 KeyStone1 1588方案實現

前文從原理和方案上描述了KeyStone中如何實現1588方案，本章節以KeyStone1為例，從技術細節方面來闡述1588實現方式。

以Annex F的PTP報文為例，1588的實現主要分為配置Gbe Switch[3]和計算時間偏差兩部分。整體流程如下：當接收（或發送）一個802.3的PTP報文時，Gbe Switch會自動偵測到PTP報文的接收（或發送）時間，并將該時間戳記錄下來；用戶根據記錄下來的時間戳，配置Timer64的時間輸出信號，獲取當前需要調整的時間偏差。

4.1 Gbe Switch配置

KeyStone1中的Gbe Switch是一個集成了1588 PTP報文檢測的交換機，其中CPTS用來記錄時間戳，CPSW用來偵測1588報文。因此1588實現方式主要通過配置CPTS和配置CPSW來實現。

4.1.1 CPTS配置

CPTS是KeyStone1架構中Gbe Switch中的一個模塊，請參考文獻[12]中的2.3.5章節。該章節詳細介紹了CPTS模塊的工作場景和寄存器列表。

CPTS 配置步驟如下：

1）復位CPTS模塊；

CPTS的復位通過將TS_CONTROL寄存器中的CPTS_EN位域寫0來實現。

2）選擇CPTS時鐘源；

CPTS時鐘源在CPTS_RFTCLK_SEL寄存器中選擇，有四種時鐘源可以選擇：SYSCLK3，SYSCLK4，TIMI0 和TIMI1。其中SYSCLK3是1/2 CPU時鐘，SYSCLK4是1/3 CPU時鐘，TIMI0和TIMI1分別是兩個外部時鐘輸入pin腳，原本是作為Timer64的輸入時鐘，這里也可以復用為CPTS的時鐘源。

3）使能CPTS模塊；

CPTS的使能通過將TS_CONTROL寄存器中的CPTS_EN位域寫1來實現。當CPTS使能后，CPTS內部的時間記數器就會根據輸入時鐘的頻率開始記數。

4）使能CPTS中斷；

CPTS模塊中斷使能通過配置INT_EABLE來完成。CPTS可以產生多種事件的中斷，主要有：

Push中斷：用戶手動觸發一個Push事件，該事件會記錄當前CPTS的時間戳，并觸發中斷；

記數器翻轉中斷：當CPTS的32bit記數器從0xFFFFFFFF變為0x00000000時會自動觸發一個中斷；

記數器半翻轉中斷：當CPTS的32bit記數器從0x7FFFFFFF變為0x80000000時會自動觸發一個中斷；

以太網PTP報文接收中斷：當接受1個以太網PTP報文時觸發中斷；

以太網PTP報文發送中斷：當發送1個以太網PTP報文時觸發中斷；

4.1.2 CPSW的配置

CPSW是屬于Switch的組成部分，可以通過配置CPSW讓Switch識別PTP報文。CPSW的報文識別功能也通過配置寄存器的方式來實現。需要說明的是，由于Switch對外有兩個接口（port1和port2），因此對應的寄存器也有兩份。其寄存器列表如下圖所示：

配置步驟如下：

1）配置LTYPE；

每種以太網報文都有一個類型，CPSW將根據這個類型配置偵測用戶需要的報文。根據以太網報文的定義，IEEE1588的PTP報文的類型為0x88F7。用戶需要將這個類型寫入Pn_TS_SEQ_LTYPE中（n表示端口號）。

2）配置VLAN ID（如果使能了VLAN報文的話）；

用戶可以定義需要的VLAN ID，在Pn_TS_VLAN寄存器里面配置。

3）使能CPSW檢測模塊；

CPSW的使能包括接收和發送的使能，需要用戶配置Pn_TS_CTL里面對應的位域。

4.2 時間偏差的計算和調整

Gbe Switch完成對PTP報文的時間戳記錄之后，用戶需要根據時間戳計算當前需要調整的時間數。由于真實系統時間是基于Timer64的時間戳，因此用戶在計算CPTS的時間戳之后需要換算到真實系統時間。

為了方便說明和計算，在下面的配置中，假定CPU時鐘為1GHz，CPTS采用1/3 CPU時鐘，Timer64的定時周期為1ms。

4.2.1 CPTS時鐘到系統時鐘

由于CPTS的時間戳只有32bit，因此CPTS翻轉后時間戳不能代表真實時間，用戶需要記錄翻轉的次數以獲得Tcpts。那么換算關系如下：

其中，N代表CPTS翻轉次數，TIME_STAMP_CPTS代表當前CPTS的32bit時間戳。Timer64是以1ms為周期進行記數的定時器，其輸入時鐘為固定的1/6 CPU時鐘，因此可以算出Timer64的記數器范圍為0~166666（Timer64采用連續記數方式）。因此可以得出如下公式：

其中TIME_STAMP_TIMER代表當前Timer64的時間戳。當Timer64和CPTS完成使能，用戶可以通過讀取兩者時間戳的方式獲取兩者的在1ms內的基本時間戳。假設讀取之后兩者時間戳偏差為Toffset，由于Timer64和CPTS同源，因此可以認為此偏差在CPTS或Timer64復位前保持不變。

4.2.2 時間調整

1588的時間調整包括調頻和調相兩部分。通常來說，需要先保證頻率同步，然后再進行相位調整。調頻的部分不需要Timer64的參與，需要比對PTP報文中的時間戳差值和CPTS記錄的時間戳，處理如下：

其中Teth1和Teth0分別表示收到的兩個PTP報文中自帶的主時鐘時間戳（納秒級），而Tcpts1和Tcpts0代表這接收這兩個PTP報文時由CPTS得到的時間。考慮到傳輸對稱性，這里可以不考慮傳輸過程時延的影響。

用戶通過比對?eth和?cpts來確定當前系統頻率與主時鐘頻率的差別。

當調頻過程基本完成，即?eth≈?cpts時可以進行相位調整。調相的主要工作是調整Timer64的輸出脈沖，由于輸出脈沖以1ms為周期，因此只需計算在1ms內的偏差即可。相位調整的主要原理如下：

其中，Teth表示接收到的PTP報文的主時鐘時間，Tcpts表示該PTP報文對應的CPTS時間，Toffset表示CPTS和Timer64的時間差，Ttripdelay表示網絡傳輸時間。

按照計算后，Timer64的輸出周期需要滿足如下條件：

4.3 KeyStone1 1588方案的說明

KeyStone1的1588方案主要依靠配置Gbe Switch和軟件換算時間戳兩部分來完成。需要強調的是，在軟件換算時間的部分，這涉及到具體的1588時間戳計算算法。基于應用的需求和精度需求，許多算法往往比這里介紹的更復雜，但是原理上來說都是相同的。這也是KeyStone架構使用軟件實現1588部分的一個優勢，用戶可以靈活使用軟件功能來提高1588的同步精度。

5 小結

從目前來看，IEEE1588v2標準已經越來越多的應用在通訊網絡中。由于IEEE1588v2標準也還在不斷的完善中，因此從技術角度出發，熟悉1588同步原理，了解并設計不同場景中的1588方案，不論是從芯片設計角度或者基站整體解決方案角度來說，都是十分必要的。

本文簡要的介紹了IEEE1588的原理，并分類分析了1588同步功能在PHY 以及KeyStone1和KeyStone2芯片上的應用方案。以太網PHY實現1588同步的精度最高，但是成本相對比較昂貴；德州儀器的KeyStone架構上集成了支持1588的Switch，用戶可以通過KeyStone架構靈活實現1588同步功能，也為用戶的方案設計提供了更多的選擇。