基于IEEE 1588的時鐘同步技術在分布式系統(tǒng)中的應用
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5 基于FPGA的硬件同步方案
因為采用硬件電路獲取時間戳，從而獲得更高的同步精度，這里采用FPGA實現(xiàn)時間戳的獲取和從時鐘相對主時鐘的頻率糾偏。分布式系統(tǒng)中節(jié)點時鐘同步模塊的內部結構如圖5所示。
每個節(jié)點包含CPU、以太網媒體訪問控制器(MAC)、以太網物理層收發(fā)器(PHY)、FPGA等4種主要器件。物理層收發(fā)器和MAC控制器通過標準的MII接口相連，CPU通過總線與MAC控制器和FPGA相連。物理層收發(fā)器、MAC控制器和CPU構成通訊協(xié)議棧完成數據包的發(fā)送和接收。
為了使從時鐘的晶振頻率與主時鐘保持一致，F(xiàn)PGA中需要有一個頻率可調的時鐘以實現(xiàn)晶振糾偏，如圖6所示，由r位頻率補償值寄存器、g位分頻累加器、p位系統(tǒng)時鐘計數器組成，一個普通晶體振蕩信號輸入FPGA模塊。在每個晶振周期，r位頻率補償值寄存器內保存的頻率補償值累加到q位分頻累加器中，與累加器中的值相加。
如果發(fā)生溢出，則在下一個晶振周期，時鐘計數器增加一個增量，這個增量就是整個頻率補償時鐘的分辨率；如果沒有溢出，則在下一個晶振周期，時鐘計數器保持原值。計數器的當前值即為調整后的本地時鐘。因此可以通過改變頻率補償值來改變時鐘計數器數值增加的頻率，實現(xiàn)對晶振頻率的補償。q和r越大，頻率補償值的改變對累加器發(fā)生溢出的頻率的影響越小，對晶振頻率的補償越精細。本系統(tǒng)選擇r=32，q=32，p=64。
使用FPGA不但能夠獲得最精確的時間戳，而且能夠采用數字電路的方法精確補償從時鐘的晶振頻率。FPGA的控制器實現(xiàn)時鐘調節(jié)算法，并由得到的時間戳和本地時鐘相比較，得到頻率補償值，從而控制時鐘計數器數值，補償晶振的頻率。而CPU則主要負責驅動MAC控制器完成相關的通訊功能。
6結束語
采用IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議的以太網時鐘同步技術，解決了通用以太網實時性和同步性差的問題。為基于多播技術的標準以太網的實時應用提供了有效的解決方案。IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議的制定滿足網絡化分布式系統(tǒng)的需求，利用IEEE 1588時鐘同步技術可以在不增加網絡負荷的情況下，實現(xiàn)整個分布式系統(tǒng)的高精度時鐘同步，從而可以有效解決分布式系統(tǒng)的實時性問題，進而改善和提高系統(tǒng)的同步精度。
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