1、IEEE1588時間同步協議在Linux下的研究目錄一、課題的來源、目的和意義1二、本課題相關領域的研究現狀及發展趨勢1三、本課題研究的主要內容和重點3四、技術方案3五、實施方案所需的條件6六、存在的主要問題和技術關鍵6七、預期能達到的目標7八、課題研究計劃進度7九、研究經費預算7十、主要參考文獻7文獻閱讀報告： IEEE1588協議、Linux嵌入式系統及其他相關技術綜述101、網絡時間同步102、IEEE1588精密時鐘同步協議標準123、Linux嵌入式系統174、參考文獻191一、課題的來源、目的和意義1、課題來源課題名稱：IEEE1588時間同步協議在Linux下的開發與研究課題來源

2、：華東交通大學交通信息工程及控制研究所2、目的和意義時間信息是計算機網絡中，尤其是分布式控制系統中最重要的基礎信息。網絡中的時間同步是一個重要的研究方向，時間同步是很多基于網絡的關鍵應用的基礎。隨著網絡技術的發展，分布式系統中對時間同步的要求越來越高。在現有以太網基礎上開展測試與測量，首先需要解決的是實現不同終端設備之間的精密時鐘同步。而2002年底由IEEE發布的精確時鐘同步協議IEEE 15881是一種用于測量和自動化系統的高精度網絡時間同步協議，其全稱是網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準。它的主要原理是通過一個同步信號周期性地對網絡中多個站點的時間進行同步，通過軟硬件的配合，其同步

3、精度可遠遠高于NTP的同步精度。與NTP協議不同，IEEE 1588是針對相對本地化、網絡化的系統而設計的。它要求子網較好、內部組件相對穩定，所以非常適合于工業自動化和測量環境。基于以太網和TCP/IP協議的網絡不需要很大改動就可以運行IEEE 1588協議，故其應用范圍非常廣泛。并且該協議占用網絡資源以及計算資源較少，實現成本低，因此在低端設備中也能夠被使用。 我們在研究監控系統、測控系統、遠動系統時基本上都是采用分步式的結構，而這些系統的數據都是緊密相關的，各個設備的觸發也會按照統一的時序和節拍才能保證系統能夠協調有序的工作，而時鐘不同步會對系統的穩定性產生很大的影響，可能使系統無法正常工

4、作。所以本文準備研究一個IEEE 1588精確時間同步協議體系結構，實現最佳主時鐘算法、本地時鐘同步算法以及PTP報文發送與接收的控制算法來提高同步的精度，并且準備用開發板在Linux下實現時間同步。二、本課題相關領域的研究現狀及發展趨勢關于時鐘同步技術的研究，1978年7月3，Leslie Lamport在“Communication of the ACM”發表的論文“Time,Clock,and the Ordering of Events in a Distributed System”比較系統地闡述了時鐘同步技術的原理、方法以及時鐘同步在分布式系統中的應用。進入上個世紀八十年代后，隨著

5、計算機的普及和網絡技術的發展，在網絡時鐘同步方面的研究取得了很大的進展。1981年提出了因特網時鐘協議（Internet Clock Protocol，RFC778），這是最早在網絡上提出的時鐘同步技術。然后就是1983年提出的時間協議（Time Protocol，RFC868），該協議可以精確到1秒。除此之外，還出現了Daytime協議和IP時間戳選項等網絡時鐘同步技術。1988年提出的網絡時間協議（Network Time Protocol，RFC1059）在上述網絡時鐘同步技術上有了很大的提高。在廣域網內使用NTP協議同步網絡中的時鐘節點可以達到幾十毫秒的精度，而在局域網內同步精度可以高

6、達0.1毫秒。在1996年，發布了網絡時間協議的簡潔版本簡單網絡時間協議SNTP第4版（RFC2030），它適用于時間精度要求低于NTP的時鐘同步網終端。2000年，歐盟各國聯合實施了一項“歐米伽”計劃，它的主要目的就是要促進網絡時鐘同步技術的改進和發展，進一步為實際應用和研究提供更高精度的時鐘。這項計劃的實施也同時加快了歐盟數字同步通信網的建設。2000年的11月份，一個專門從事將網絡時鐘同步問題標準化的工作的委員會成立。委員會向IEEE組織遞交了一份正式研究方案，并在2001年6月18日得到了核準。按照IEEE的規定，委員會遞交的草案在2002年經過修改和兩輪投票后被遞交到IEEE標準復查

7、委員會，于2002年9月通過核準，兩個月后出版了IEEE 1588標準。為了推進和聯合進行標準的完善和發展，委員會2003年9月在IEEE的辦公地成立了三個工作組并明確了分工2：(1)使用者需求工作組。主要負責使用者對于IEEE 1588協議的需求，使用者的構成，與其他標準的關系等。(2)技術拓展工作組。主要負責IEEE 1588的技術拓展和改進，如標記幀和IPV6的影響，非UDP應用，冗余和錯誤容差，以及IEEE 1588的簡化等。(3)一致性與解釋工作組。主要負責IEEE 1588標準的解釋，認證過程、測試裝置和范例實現等。自從IEEE 1588標準出現后得到業界高度重視，在2002年、2

8、004年和2006年一共舉辦了三次專業會議。工業控制的領先廠商Rockwell，Siemens等立即投入產品開發，IEC已將它轉化為IEC615882004標準，這個標準已為Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太網的總線采用，成為當前普遍采用的方法。自IEEE 1588標準出現以來，集成硬件支持的產品陸續上市或發布，有：西門子公司的ERTRC400、Hilscher公司的可用于需要內置網絡連接的工業控制產品的片上系統netX、Intel公司的網絡處理器XScale IXP46x和Hyperstone公司的高度集成新型HyNet32XS聯網處理器

9、等。Hirschmann公司提出了一種IEEE 1588同步元件模型，硬件部分包括一個高精度的實時時鐘和一個時間戳單元來產生時間戳，軟件部分與實時時鐘和硬件時間戳單元綁定實現IEEE 1588協議。Hirschmann已經在它的Mice模塊化以太網交換機上測試了IEEE 1588增強插件模塊，并發現其同步精度在最大抖動時為±100納秒。2007年4月，模擬和混合信號半導體產品的供應商Semtech公司宣布：將與頻率控制產品供應商Rakon公司聯合開發基于IEEE 1588 V2標準的定時解決方案，進而實現下一代網絡通信設備低成本的精確定時方案。2007年7月，美國國家半導體公司(Na

10、tional Semiconductor Corporation)宣布推出業界首款集成IEEE 1588標準硬件支持功能的以太網收發器。這款型號為DP83640的高精度PHYTER收發器可確保分布式網絡上各節點能按照主機的時鐘同步定時，并確保各節點之間的時間偏差不會超過8納秒，因此最適用于物體移動控制、測量儀表、數據采集及電子通信等設備。2007年10月，IEEE 1588 V2標準提交IEEE審議。新版本的制定注意吸收了諸多來自通信、網絡、測試/測量以及工業控制等行業的專家意見，將更能滿足具有多跳和固有冗余特性的大型分布式網絡的特殊需求。國內在高精度網絡時鐘同步領域的研究起步相對較晚，目前大

11、部分研究內容僅僅是對IEEE 1588標準做一個簡單介紹、綜述國外的技術成果或是針對性地提出某些時鐘同步算法相應的改進。三、本課題研究的主要內容和重點。課題的研究內容是在Linux下對IEEE1588時間同步協議進行設計及開發。主要是對控制網絡中的IEEE1588時間同步協議的研究，以及對嵌入式linux開發及其關鍵技術的實現。主要內容如下：1、網絡時間同步的基本理論的分析研究21；2、IEEE1588時間同步協議關鍵技術的分析研究19；3、Linux下1588時間同步的系統分析與設計；4、PTP發送接收控制模塊設計與實現2429；5、最佳主時鐘算法模塊的軟件設計與實現13162130；（重難

12、點）6、本地時鐘同步算法模塊的設計實現；（重難點）7、基于嵌入式linux的應用程序開發。四、技術方案IEEE1588的基本原理是用網絡中最精確的時鐘去校正或同步其它時鐘，最佳時鐘的選取是被自動執行，通過最佳主站時鐘算法實現。在網絡中有兩種類型的時鐘:主時鐘(用于同步其它時鐘)，從時鐘(被同步的時鐘)。從理論上講，系統中的所有時鐘都有可能成為主時鐘和從時鐘。但往往網絡中時鐘是相對固定的，所有從時鐘通過與主時鐘交換消息來校準自己的時間，這個同步過程分為兩個階段，一是偏移校準，一是延遲校準。設計方案分為系統硬件部分和軟件部分。1、系統硬件部分自制ARM9+DP83640系統板。ARM芯片采用ARM

13、9。其主要特點是： 功耗低，性能高； 內核的門數少，具有優異的性價比； 中斷延時短； 實時調試，成本低；支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實時跟蹤指令和數據。美國國家半導體公司 (NS)推出集成 IEEE 1588 精確時間同步協議(PTP)硬件支持功能的以太網收發器。這款型號為DP83640的高精度PHYTER收發器支持IEEE 1588精確時間同步協議V1和V2標準，可確保分布式網絡上各節點能按照主機時鐘的時間同步定時，并確保各節點之間的時間偏差不會超過8ns，因此最適用于物體移動控制、測量儀表、數據采集及電子通信等設備。DP83640高精度PHYTER收發

14、器芯片內置高精度IEEE 1588 時鐘，并設有由硬件執行的時間標記功能，可為接收及發送的信息包印上時間標記。此外，這款芯片還有12條通用輸入/輸出引腳，專門負責處理同步發生的實時事件或不同的觸發信號。DP83640芯片還可以連接內置以太網媒體接入控制器(MAC)的專用集成電路(ASIC)。2、軟件部分下圖所示時鐘同步系統就是在詳細分析IEEE 1588的基礎上，對時鐘同步過程、時間數據報以及時鐘校正機制進行了詳細的分析之后，設計的時鐘同步模型。協議狀態機的轉化報文計算時鐘同步計算數據交互和總體控制PTP接收控制模塊數據集服務器鏈路通信接口本地時鐘系統PTP發送控制模塊接收

15、時間戳發送時間戳圖1 時間同步系統的體系結構圖時鐘同步系統的各個模塊及其功能的設計1)初始化配置模塊系統運行最先完成的就是服務器的初始化來確定主時鐘。主時鐘的確定采用最佳主時鐘算法，在具有M個時鐘的系統中，每一個非主時鐘都周期地向主時鐘發送帶有時間戳的數據報。計算機網絡通信的一大特點就是具有很強的突發性，但從長時間的運行來看，鏈路的狀態還是相對穩定的。通過計算整個系統運行的平均時間，選擇時間間隔最接近這個平均值的時間服務器為最佳主時鐘。2)消息接收模塊消息接收模塊的主要作用是監聽系統的運行端口，并在獲取到消息報文后對其進行解析，根據不同的指令識別碼調用相應的過程和模塊進行處理。3)時鐘同步模塊

16、當系統轉入時鐘同步模塊時，系統首先對當前的數據進行計算來確定是否利用此報文對本地時鐘進行同步，如果當前的數據不能滿足要求，那么時鐘同步模塊利用消息發送模塊重新發送同步數據報文。如果該報文符合要求，系統則根據公式計算時鐘偏移，并轉入時鐘校正模塊，周期性地對系統進行時鐘同步。4)消息發送模塊消息發送模塊的主要功能是根據其它功能系統提供的報文數據及發送模式將報文發送給子網中的其它節點。消息發送模塊與消息接收模塊的實現一樣都是多線程的，提供了系統同時處理多個報文的能力。5)PTP發送控制模塊 PTP發送控制模塊用于發送同步報文、跟隨報文、延遲請求報文、延遲請求響應報文這四種報文，因此PTP發送控制模塊

17、的主要任務就是編碼封裝PTP協議報文，以及何時發送這些報文。6)PTP接收控制模塊該模塊主要用來分析、控制接收到的各種網絡報文，把符合PTP協議的報文接收到PTP協議引擎中，并負責檢查PTP協議報文的有效性。PTP接收控制模塊主要包括以下四個部分:同步報文接收模塊、跟隨報文接收模塊、延遲請求報文接收模塊、延遲請求響應報文接收模塊。7)最佳主時鐘算法模塊最佳主時鐘算法模塊主要用于選擇本地網絡中的最佳時鐘作為主時鐘，同時決定本地時鐘所應處的狀態。實現最佳主時鐘的方法包括兩個步驟:首先從本地時鐘系統通信端口中選出一個質量最好的同步報文:根據上述結果，比較此時的主時鐘和本地時鐘屬性，決定本地設備PTP

18、協議引擎所處的狀態。上面的第一個步驟采用數據集比較算法模塊來實現，而判斷PTP協議引擎所處的狀態采用狀態決斷算法模塊來實現。嵌入式實時操作系統36的實現是整個精確同步系統設計中非常重要的一環。我們在程序開發時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執行的二進制代碼，(這種可執行代碼并不能在宿主機上執行，而只能在目標板上執行)。然后把可執行文件下載到目標機上運行。宿主機和目標板的處理器架構一般都不相同，宿主機為Intel處理器， GNU編譯器提供這樣的功能，在編譯編譯器時可以選擇開發所需的宿主機和目標機從而建立開發環境。程序采用接在目標板上進行開發的方式，將宿主機和目標板通過以太網連接，在宿

19、主PC機上運行目標板的顯示終端，在目標板上通過NFS(網絡文件系統)來mount宿主機硬盤，讓應用程序直接運行在目標板上進行調試。開發平臺采用Keil Vision4集成開發環境33，Keil Vision4用來在微控制器和智能卡設備上創建、仿真和調試嵌入式應用。Keil Vision4是為增強開發人員的工作效率設計的，有了它可以更快速、更高效地開發和檢驗程序，支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊，強大的Simulation設備模擬，性能分析等功能。五、實施方案所需的條件1、試驗設備：PC機，自制ARM9+DP83640系統板。2、

20、軟件：Keil uVision4開發平臺，redhat9.0嵌入式操作系統，C+語言。六、存在的主要問題和技術關鍵1、對于IEEE 1588協議，存在一些問題如主時鐘的容錯性能，振蕩器的穩定性對時鐘的影響。2、對于程序中算法的優化，以及如何加強應用程序的健壯性、穩定性、可行性等問題。 3、對基于ARM9上嵌入式Linux系統的應用程序開發，需要更好的掌握和應用其技術。七、預期能達到的目標1、基本完成系統硬件設計，并搭建起具有基本功能的硬件系統。2、完成基于IEEE 1588協議對時模型的建立，并編寫程序，基本完成對時功能。八、課題研究計劃進度1、2010.112010.12 進行實習調研,收集

21、相關資料,確定總體方案。2、2011.12011.2 完成嵌入式操作系統的移植。3、2011.32011.6 實現IEEE1588時間同步程序的各個模塊的設計。4、2011.72011.8 完成系統測試。5、2011.92011.11 完成論文的纂寫、修改完善，論文答辯。九、研究經費預算購買目標板 1000元其他 500元總計約1500元。十、主要參考文獻1 IEEE Std 1588-2002 EB/OL. http:/ieee1588. hist. gov, 2002.2 IEEE Std 1588-2008 EB/OL. http:/standards. ieee. org, 2008.

22、3 IEEE Std 1588-2002, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control SystemsS, 2002.4 Todor Cooklev, John C.Eidson, Afshaneh Pakdaman. An Implementation of IEEE 1588 Over IEEE 802.11b for Synchronization of Wireless Local Area Network Nodes. IEEE T

23、ransactions on Instrumentation and Measurement. 2007: 1632-16395 Bob Rennard.IEEE 1588 in Test and Measurement Applications as Specified in LXI Standard v1.0. Agilent Technologies.2005:96 Hller R., Santer T., Kero N.Embedded Sync UTC and IEEE1588 clock synchronization for industrial Ethernet.Proceed

24、ings of Emerging Technologies and Factory Automation.2003, 1:422-4267 Correll K,Barendt N,Branicky M.Design considerations for software only implementations of the IEEE 1588 precision timeprotocol.Conference on IEEE-1588 Standard for a PrecisionClock Synchronization Protocol for Networked Measuremen

25、t and Control Systems. 2005:353-3598 John C. Eidson, Dan Pleasant.Time Scales and IEEE 1588 part 1. Agilent Technologies.2006:8-119 John C.Eidson, Dan Pleasant.Time Scales and IEEE 1588 part 2. Agilent Technologies.2006:2-410 Sivaram Balasubramanian, Kendal R.,Harris, Anatoly Moldovansky. A Frequenc

26、y Compensated Clock for Precision Synchronization using IEEE 1588 Protocol and its Application to Ethernet.Rockwell Automation. 2003:1-411 Alexandra Dropplinger and Innis, Aligning System Clocks Over Networks With IEEE1588 Remote Timing Standard, Freescale Semiconductor, 2007.12 Hans Weibel.High Pre

27、cision Synchronization according to IEEE 1588 Implementation and Performance Issues.Embedded World.2005:2-413 IEEE Standard 1588-2002, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. (2002)The Institute of Electrical and Electronics Enginee

28、rs, Inc., New York14 Proceedings of the 2005 IEEE 1588 Conference to be published as a NIST Technical Report. (2005)National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD15 陳冰.基于時鐘同步的網絡化運動控制方法與實現D: 博士學位論文. 武漢: 華中科技大學,2006.16 張妍,孫鶴旭,林濤,寧立革.IEEE1588在實時工業以太網中的應用J. 微計算機信息.2005, 21(9-1): 19-21.

29、17 趙上林,胡敏強,竇曉波,等.基于IEEE 1588的數字化變電站時鐘同步技術研究J. 電網技術,2008, 32(21): 97-102.18 謝希仁.計算機網絡(第四版)M. 北京：電子工業出版社，2003.19 尤志堅.IEEE1588協議分析與實現D: 碩士學位論文. 上海:華東師范大學, 2008.20 郭凱.IEEE1588在電子式互感器中的同步研究D: 碩士學位論文. 北京:華北電力大學, 2009.21 吳歆馨.基于IEEE1588高精度網絡時鐘同步系統的研究D: 碩士學位論文. 武漢: 華中科技大學, 2007.22 魯駿.IEEE1588網絡時間同步的研究D: 碩士學位

30、論文. 桂林: 桂林電子科技大學, 2008.23 胡英超.精密時鐘同步協議研究與實現D: 碩士學位論文. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2008.24 孫文杰. 局域網時鐘同步精確時間標記方法的研究D: 碩士學位論文. 武漢:華中科技大學, 2007.25 杜宇.IEC 61850變電站通信網絡與系統實現的研究D: 碩士學位論文. 北京:華北電力大學,2003.26 趙棟.基于IEC 61850的數字化變電站精確同步系統的研究D: 碩士學位論文. 北京:華北電力大學,2008.27 殷志良, 基于IEC61850的變電站過程總線通信的研究D: 博士學位論文. 北京:華北電力大學, 2005.2

31、8 陳永標.IEEE1588時間精確同步協議PTP在電力系統應用的可行性研究D : 碩士學位論文. 上海：上海交通大學，2009.29 謝型果.IEEE1588時鐘同步報文硬件標記研究與實現D: 碩士學位論文. 武漢:華中科技大學,2008.30 劉魯源,王曉欣,劉昆.分布式系統高精度時鐘同步算法及其實現J,天津大學學報,2006, 831 張振,許揚,陸于平,等. IEEE1588協議在分布式系統保護信息傳輸中應用J. 電力自動化設備,2009, Vol, 29(12): 83-87.32 汪祺航,黃偉,吳在軍,等. 基于IEEE 1588標準的變電站同步網絡的研究J. 江蘇電機工程,201

32、0,Vol.29(1): 51-54.33 Jean J. Labrosse.嵌入式實時操作系統C/OS-IIM. 北京：北京航空航天大學出版社, 2001.34 唐振華.基于IEEE 1588和實時以太網的自動測試系統D: 碩士學位論文. 成都: 成都電子科技大學, 2006.35 陳小舟. IEEE1588時間同步協議在同步數字傳送網中的應用研究D: 碩士學位論文. 成都:電子科技大學, 2009.36 魯駿,張向利,等.嵌入式Linux下時鐘同步系統的分析與實現J, 儀表技術與傳感器,2007.文獻閱讀報告： IEEE 1588協議、嵌入式系統及其他相關技術綜述0概述共收集了9篇期刊，1

33、8篇碩士，9篇IEEE，這些文章在研究IEEE1588協議時，解決了以下問題：理論方面1、 分析了IEEE1588時間同步技術的基本原理、特點；2、 分析比較了NTP協議、SNTP協議和IEEE1588協議各自的特點和時間同步機制；3、 分析了IEEE1588協議報文的特點；4、 分析了延時誤差產生的來源；5、 分析了影響實現網絡時鐘同步高精度的因素；（操作系統與協議棧、網絡元件、時鐘的不穩定性和時鐘的分辨率，并綜述了相應的提高精度的補償方法）6、 研究了軟硬件分離的方法實現IEEE1588協議的頻率同步。實現應用方面1、 最佳主時鐘算法；（組播交叉算法、Clos矩陣算法、隨動算法）2、 相對

34、時鐘同步算法；（申請專利）3、 在硬件STR912硬件平臺上移植uc/os-ii操作系統實現IEEE1588協議；4、 用DSP和MCU系統實現IEEE1588協議；5、 基于FPGA的PTP實現；6、 基于RTLinux操作系統的實現；7、 建立了用于3G網絡傳輸的時間同步系統傳輸模型。不足之處1、 基本上節點都為普通時鐘，每個時鐘都只有一個端口連接到通信通道，因此所有節點只能在一個局域網中進行通信以及同步。如果要同步多個網絡中的時鐘節點，需要引入邊界時鐘，把多個網絡中的PTP時鐘連接起來并進行同步。2、 同步精度還可以進一步提高。通過定時器獲取的時間只達能到微秒的精度，因此各時鐘間的同步精

35、度不可能超過這個精度。如果時鐘節點采用更精確的時間源，那么同步精度也可以隨之更高。3、 管理節點的實現。實現的時鐘模型沒有加入管理節點，因此時鐘節點的屬性不能進行動態配置，因此下一步可以在系統中加入管理節點，這樣運行時可以根據各時鐘的具體狀態以及用戶需要，對其進行配置，而不需要再重新燒寫硬件節點的固件。1 網絡時間同步隨著計算機在人們的生活和工作中發揮著越來越重要的作用，信息技術和網絡技術也得到越來越廣泛的應用。其中許多關系國計民生的重要應用領域需要依靠計算機系統的高可靠性和高效率來精確控制關鍵性的工作與任務，例如衛星發射與測控系統、航空管理系統、社會聯動系統以及核能發電系統等等。這些應用對分

36、布式系統內時鐘的一致性和精確性要求很高，任何錯誤的發生都可能會導致非常嚴重甚至是災難性的后果。然而，實際上，計算機的時鐘工作往往不太穩定，容易受到溫度、電源等環境的影響。這樣以往傳統的設計與要求，已不適合在一些嚴格的環境下運作。因此，首先有必要對時間同步的一些基本概念以及原理作一下分析和介紹。從時鐘同步的實現機制來看，可將時鐘同步分為硬件時鐘同步、軟件時鐘同步和混合時鐘同步。1）硬件時鐘同步。硬件時鐘同步是指利用一定的硬件設施（如GPS接收機、UTC接收機、專用的時鐘信號線路等）對各個局部時鐘進行同步，操作對象往往是計算機的硬件時鐘。硬件時鐘同步可以獲得很高的同步精度（一般為10-9秒至10-

37、6秒），但需引入專用的硬件時鐘同步設備，成本較高且不易安裝。硬件同步方法適用于小規模的網絡系統，在一個大規模分布式網絡中完全采用硬件同步方法是不現實的。2）軟件時鐘同步。軟件時鐘同步是利用時鐘同步算法進行的節點局部時鐘之間的同步。軟件時鐘同步工作量很大，且節點間的同步偏差容易積累。更重要的是，同步信息在廣域網上傳輸時的延遲大且有很大的不確定性，這使得軟件同步可以達到的精度比較低，通常為10-6秒至10-3秒。但是，由于軟件同步的操作對象通常是各節點的邏輯時鐘，一般并不需要對結點的硬件時鐘進行操作，所以軟件同步更加靈活，成本也比硬件同步低。3）混合時鐘同步。混合時鐘同步是把硬件時鐘同步和軟件時鐘

38、同步的優點結合起來。混合時鐘同步主要有兩種：一種是基于軟件時鐘同步的。這種同步方法是在原有的軟件同步方法中引入專用的硬件設施，實現原來由軟件時鐘同步算法完成的功能。另外一種是分層式混合同步。該方案將大規模分布式系統的節點網絡劃分為多個網段。在每個網段設置一個結點為時間服務節點，在該節點上引入GPS和UTC接收機及其相應的時鐘接口設備，實現不同網段的時鐘同步。然后，在每個網段內部通過軟件同步方法使本網段中其它結點的時鐘與本網段內時間服務結點的時鐘同步，從而實現整個分布式網絡的時鐘同步。混合同步方案的同步精度一般要比硬件時鐘同步低，但卻比軟件時鐘同步高，且實現成本可以接受。實際中常采用混合時間同步

39、，把硬件時間同步和軟件時間同步的優點結合起來。1.1 傳統的時間同步圖2 典型的傳統時間同步系統傳統的時間同步系統的拓撲結構可以用圖4所示。圖中的時間服務器一般集成有GPS等標準時間源，相應的配置也較高；現場設備一般情況下通過l0M/l00M以太網與時間服務器保持時間同步，其精度為10毫秒到秒級不等，部分應用（如快速響應系統）可能要求達到1毫秒的級別甚至更高。為了解決時間同步問題，同時也充分利用網絡性能，傳統采用的方法為：整秒時由時間服務器在以太網上發送時碼信息，網絡上的各個時間客戶接收該時碼信息，再校正各自機器的系統時間。經過測算，設備采用這種方法對準時間后，與標準時間進行比對，誤差在110

40、0毫秒之間。網絡流量越大時間誤差也越大，發送報文的節點越多，沖突的機會也越多，延時也越大。網絡流量的差異是造成這種延時的主要原因，但這類延時又是不定的，因此，無法對這種延時差異進行補償。綜上所述，傳統的同步方法對時間精度要求較高的控制網絡來說，無法滿足其時間同步的需要。1.2 網絡時間同步協議目前可以用于網絡對時的協議主要有：時間協議(Time Protocol，簡稱TP)、日期時間協議(Daytime Protocol，簡稱DP)、網絡時間協議(Network Time Protocol，簡稱NTP)以及簡單網絡時間協議(Simple Network Time Protocol，簡稱SNTP

41、)。時間協議和日期時間協議都只能表示到秒，而且沒有估算網絡延時，同步精度較低，目前在工程中應用較少。網絡時間協議NTP（Network Time Protocol）是用于互聯網中時間同步的標準互聯網協議，主要開發者是美國特拉華大學的David L.Mills教授。NTP的設計充分考慮了互聯網上時間同步的復雜性，提供的機制嚴格、實用、有效，適應在各種規模、速度和連接通路情況的互聯網環境下工作。NTP本身基于UDP/IP，使用層次式時間分布模型，具有相當高的靈活性，可以適應各種互聯網環境。NTP不僅校正現行時間，而且持續跟蹤時間的變化，能夠自動進行調節，即使網絡發生故障，也能維持時間的穩定。NTP

42、產生的網絡開銷甚少，并具有保證網絡安全的應對措施，可以在互聯網上獲取可靠和精確的時間同步，并使NTP成為互聯網上公認的時間同步工具。目前，在通常的環境下，NTP提供的時間精確度在WAN上為數十毫秒，在LAN上則為毫秒級，在專用的時間服務器上，則精確度更高。國外現在普遍使用網絡時間協議和簡單網絡時間協議提供時間同步服務，已有300多個一級時間服務器分布在澳大利亞、加拿大、法國、德國、美國、英國等國家。國內在一些有條件的重點高校和研究單位也建立了自己的一級時間同步服務器。SNTP是NTP的一個子集，數據包格式與NTP兼容，它的精確度為秒級。適用于時間精確度低于NTP的客戶機，并強烈建議僅限于使用在

43、時間同步網的終端位置。SNTP的實現比較簡單，尤其是對于Client側的實現。一些商用的操作系統（如Windows操作系統）直接支持Client端的SNTP協議。2 IEEE 1588同步協議標準隨著工業現場控制的規模越來越大，自動化程度越來越高，對監控和控制的同步性和實時性提出了越來越高的要求。此時，一些研究機構和商業組織開始研究設備之間，尤其是測量和控制設備之間的時鐘同步技術。在此背景下，美國的一些研究機構和商業組織發起成立了一個特別委員會，專門針對設備之間，尤其是測控設備之間的時鐘同步問題進行研究。經過長時間的不斷探索和試驗，取得了一些成果。2001年6月18日，這個委員會正式向美國電氣

44、與電子工程師協會（IEEE）提交一份研究方案，并通過該組織一年多時間的核準和論證，于2002年12月得到批復，并正式形成IEEE 1588標準。IEEE 1588為消除或削弱分布式網絡測控系統各個測控設備的時鐘誤差和測控數據在網絡中的傳輸延遲提供了有效途徑。按照這個規范去策劃和設計的網絡測控系統，其同步精度可以達到微秒級的范圍，從而可以有效地解決分布式網絡系統的實時性問題。IEEE 1588的基本功能是使分布式網絡內的最精確時鐘與其他時鐘保持同步，用于對標準以太網或其他采用多播技術的分布式總線系統中的傳感器、執行器以及其他終端設備中的時鐘進行亞微秒級同步。該協議為小型同構或異構局域網設計，設計

45、者特別注意降低資源使用，使其可以在低成本終端設備上應用。2.1 IEEE1588的使用背景IEEE1588是一種在分布式網絡系統中用于實時時鐘同步的協議該協議的目標是幫助協調分布式中各系統的行動以及相關數據這些應用在測試和工業自動化等相關環境是相當普遍的。在測試和控制領域中，最近十年出現了以下趨勢:1、系統越來越復雜，系統間協調要求越來越苛刻2、分布式系統越來越流行3、網絡通信技術使用越來越普遍4、成本要求越來越嚴格更加復雜，性能更高的設備提高了對其相關的測試設備要求采用分布式結構可以幫助提高系統的性能，以及簡化各應用控制器或設備的任務量(通過將應用任務劃分為更小的控制任務，數據獲取任務，數據

46、處理任務，它們分別被各設備獨立完成)，當然這就要求各設備之間要通過網絡來交流信息和協調工作流程。用PC和以太網實現上面所提到的趨勢最主要的障礙是以太網相對于其他專用總線和直接I/O方法缺乏對定時控制的支持，而IEEE1588則能在基于以太網的控制和測試領域提供一種精確時鐘同步的服務盡管自動化領域和測試領域有很多不同，但在系統級的控制和定時問題上它們卻是非常相似的，如在運動控制領域時鐘同步精度要達到100ns的級別目前在能源工業中的幾個主要領域已經廣泛采用IEEE1588。2.2 IEEE 1588的特點1、始終控制精度至少在微秒級，在硬件的幫助下能達到納秒級。2、對網絡、設備計算能力、硬件資源

47、的要求較低，這意味著它可以被應用到包含低端和高端的所有設備。3、實現IEEE1588的子網只需要很少的管理開銷，甚至不需要管理功能(單個子網)。4、除了以太網以外，IEEE1588還可以在通用的價格便宜的網絡中實現，這就方便在復雜網絡中實現時鐘同步。5、被公布為一個標準，便于生產商對協議進行改進和交流。為了使協議實現更加簡單，IEEE1588使用IP進行多播，所以除了以太網以外的支持多播的其他總線系統都能實現PTP，但IP地址的管理功能不需要在PTP節點中實現(地址解析等)。2.3 IEEE 1588的同步原理2.3.1 IEEE 1588時鐘和報文IEEE 1588將整個網絡內的時鐘分為兩種

48、，普通時鐘OC（Ordinary Clock）和邊界時鐘BC（Boundary Clock），只有一個PTP通信端口的時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口提供獨立的PTP通信。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網絡設備如交換機和路由器上。從通信關系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP通信子網內只能有一個主時鐘。包含時鐘的節點典型分布式系統圖如圖5所示。普通時鐘通過單一通信通道與其他時鐘通信。如圖5中，1到4節點的各時鐘通過單一通信通道A互相通信。邊界時鐘，如圖5中的節點13，可以與多組時鐘通信（例如:節點組

49、1、2、3和4通過A通道，節點組5、6、7、8和14通過B通道，節點15通過D通道）。邊界時鐘和邊界時鐘間的通信通過通道3和通道D來實現，通道3位于邊界時鐘13和14之間，通道D位于邊界時鐘13和15之間。PTP通信通道拓撲圖形成的是一個非循環的結構，也就是在任何一對PTP時鐘之間都不存在交替的PTP通信通道。舉例來說，圖3.1中包含13、14、15節點的循環通道是被禁止的。PTP協議可以通過改變邊界時鐘上的端口的狀態（置為PTP_PASSIVE）將循環圖改為非循環圖。圖3 同步時鐘典型系統每個PTP端口有9種狀態，最主要的是PTP_MASTER、PTP_SLAVE、PTP_PASSIVE。端

50、口狀態由狀態選擇算法決定。每個時鐘屬性中都包含時鐘級別：包括校準原子鐘ATOM、無線時鐘、NTP時鐘源等，有著不同的精度和分辨率。整個系統中的最優時鐘為最高級時鐘GMC(Grandmaster Clock)，有著最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點上時鐘的精度和級別以及UTC(通用協調時間)的可追溯性等特性，由最佳主時鐘算法(Best Master Clock Algorithm)來自動選擇各PTP域內的主時鐘。在只有一個PTP域的系統中，主時鐘就是GMC。每個系統只有一個GMC，且每個子網內只有一個主時鐘。典型的主從時鐘配置如圖6所示。圖4 主從時鐘配置圖其中節點5被指定為GMC，由其

51、作為根節點，其他時鐘形成非循環的父子關系如圖7所示。PTP域中各節點根據最佳時鐘算法被指定為九種狀態之一，各從時鐘通過同步機制與主時鐘保持同步。PTP通信中的報文包括同步報文，跟隨報文，延遲請求報文，延遲應答報文和管理報文。各PTP數據報文的報頭部分是固定的，包括版本信息、子域名稱、報文類型、發出報文的端口ID、控制字段等11個字段。報頭之后的字段根據報文類型的不同而有所不同：其中，同步報文和延遲請求報文包括報文發送時的起始時間戳、GMC節點各屬性、本地時鐘各屬性、父時鐘屬性、主時鐘方差和偏移估計值等23個字段，隨后報文主要包括相關同步報文更精確的發送時間戳字段，延遲應答報文包括延遲請求報文接

52、收時間戳、相關延遲請求報文發出端口的屬性等5個字段。圖5 時鐘父子關系圖主時鐘將同步報文以多播方式周期性地發送給從時鐘，此報文包含該同步報文放到網絡上的時間估計值。在更為精確的應用中，主時鐘還包括檢測機制來產生時間戳，該時間戳的時間是同步報文放到網絡上的實際時間，包含在隨后報文中。在以太網中，放置此檢測器的理想位置是PHY芯片的MII接口，這樣可以避免協議棧上部較大的時間抖動。如果主時鐘配置檢測機制，則主時鐘在隨后報文中向所有從時鐘發送此精確時間戳。若從時鐘接受同步報文，如果也有檢測機制，則對同步報文的到達進行檢測和產生時間戮，從時鐘的IEEE 1588代碼用這些信息來校正從時鐘的時間。2.3

53、.2 IEEE 1588時鐘同步機制PTP協議基于同步數據包被傳播和接收時的最精確的匹配時間，每個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文而與主時鐘達到同步。這個同步過程分為兩個階段:偏移測量階段和延遲測量階段。第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為偏移測量，如圖8所示。圖6 偏移測量在修正偏移量的過程中，主時鐘按照規定的間隔時間(缺省是2秒)周期性地以多播方式向從時鐘發出時鐘同步報文:同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值TM1，該值包含在同步報文的originTimestamp字段中，從時鐘測量接收的準確時間TS1。之后，主時鐘發出第二條報文跟隨報文(Follow Up Message)，

54、此報文與同步報文相關聯，且包含同步報文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計值，該值包含在隨后報文的preciseOriginTimestamp字段中。從時鐘根據同步報文和隨后報文中的信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鐘的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個時鐘就會同步。偏移值的計算公式是:其中，Toffset是偏移值，TS1是從時鐘收到同步報文的時間戳，TM1是主時鐘發出同步報文的時間戳(如果同步報文字段中允許隨后報文，則TM1為隨后報文中的精確時間戳。否則，TM1為同步報文中的時間戳)，Delay是時鐘同步報文在通信路徑上的傳輸延遲，在偏移測量階段，報文傳輸延遲未知，先假設傳

55、輸延遲為0。圖8中對時間單位進行了量化處理，則Toffset=1002-1051-0=-49。從時鐘根據偏移值Toffset來修正本地時鐘。本地時鐘Ts-Toffset=Ts+49，即從時鐘在原來的數值上加上49，通過偏移修正后，主時鐘和從時鐘數值就只相差傳輸延遲Delay。如果不進行延遲測量，則主時鐘每隔2秒發送一次同步報文，重復一次上述調整過程來保證從時鐘和主時鐘的同步。為了提高修正精度，可以把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲等待時間考慮進來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段，如圖9所示。從時鐘向主時鐘發出一個延遲請求報文，由從時鐘測量該報文傳遞時間TS3。主時鐘對接收數據包打上一個時間戳

56、，然后在延遲響應報文中把接收時間戳TM3送回到從時鐘，該值包含在主時鐘所接收到的延遲請求報文的delayReceiptTimestamp字段中。根據傳遞時間戳TS3和主時鐘提供的接收時間戳TM3，計算從時鐘與主時鐘之間的延遲時間。而主時鐘到從時鐘的傳輸延遲根據上一次同步報文的發送來計算，因此，根據傳輸延遲計算公式：知道此時傳輸延遲己知，再次進行偏移測量時，將Delay考慮進來，最終使主時鐘與從時鐘同步。圖7 延遲測量3 嵌入式系統3.1 嵌入式系統簡介與發展隨著現代計算機技術的飛速發展和互聯網技術的廣泛應用，從PC 時代過渡到了以個人數字助理、手持個人電腦和信息家電為代表的3C(計算機、通信、

57、消費電子)一體的后PC 時代。對于每個人來說，需要的不僅僅是放在桌上處理文檔、進行工作管理和生產控制的計算機。任何一個普通人都可能擁有各種使用嵌入式技術的電子產品。目前，各種嵌入式系統設備在應用數量上遠遠超過了通用計算機。在制造工業、過程控制、通訊、儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備、消費類產品等嵌入式計算機應用領域，嵌入式系統正扮演越來越重要的角色。3.1.1 嵌入式系統的定義嵌入式系統本身是一個相對模糊的定義。由于嵌入式系統的應用領域不斷擴大，因此難以給“嵌入式系統”下一個明確的定義。根據IEEE的定義，嵌入式系統是用于控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置(Embedded system are devices used to control，monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。從這個定義可知嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。不過上述定義并不能充分體現出嵌入式系統的精髓。目前國內一個普遍被認同的定義是:以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟件、硬件可裁剪，適應于應用系統，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計