IEEE1588时钟同步报文硬件标记研究与实现

论文摘要

随着分布式系统的广泛应用,人们对系统时钟同步的精度要求越来越高。IEEE1588标准是目前时钟同步精度最高的分布式网络时钟同步协议,其最高精度可达亚微秒量级。采用专用硬件电路在网络物理层对同步报文的到达和离开时刻进行精确的时间标记（Timestamping）是实现高精度时钟同步的关键技术之一。本文在本实验室前期研究工作的基础上,研究了采用专用硬件在物理层对时钟同步报文发出和到达的时刻进行精确时间标记的方法。提出了“Altera SOPC+MAC芯片+PHY芯片”和“Altera SOPC+PHY芯片”的两种从物理层获取报文信息的方案。前者有Altera公司提供网络接口卡驱动程序模板,开发难度较小;后者电路简单,系统更具可靠性。本文采用前一种方案,对LAN91C111（MAC芯片）在Nios II下的驱动程序进行了改造,以定制组件的形式实现同步报文的检测与时间标记逻辑,完成同步报文收发程序开发,并建立相应的测试平台。经过测试,改造后的网络驱动程序能够正常驱动LAN91C111外接LXT972A（PHY芯片）工作,同步报文检测与标记组件准确检测到测试程序发出和接收的同步报文,为开发基于IEEE1588标准的高精度网络时钟源等后续工作奠定了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外发展概况
• 1.3 课题来源
• 1.4 主要任务
• 1.5 论文结构
• 2 硬件标记的相关理论与技术
• 2.1 IEEE1588 时钟同步原理
• 2.2 硬件标记方案简介
• 2.3 SOPC 和基于 Nios II 的定制组件技术
• 2.3.1 SOPC 技术简介
• 2.3.2 基于Nios II 的定制组件技术
• 2.4 Nios II 的网络拓展
• 2.5 本章小结
• 3 时间标记单元的逻辑设计和定制组件实现
• 3.1 MII 信号的分离方案
• 3.1.1 使用LAN91C111 网络芯片和外部PHY 芯片
• 3.1.2 使用开源MAC 定制组件和PHY 芯片
• 3.2 时间标记单元的定制组件实现
• 3.2.1 IEEE1588 时钟同步报文的特点
• 3.2.2 MII 信号传输规律
• 3.2.3 时间标记点
• 3.2.4 时间标记单元HDL 设计与组件封装
• 3.3 本章小结
• 4 基于 Nios II 的时钟同步报文收发程序设计
• 4.1 典型的 Nios II 网络程序设计流程
• 4.2 PTP 数据类型
• 4.2.1 基本类型
• 4.2.2 派生类型
• 4.2.3 常量和标志位
• 4.3 PTP 报文格式
• 4.3.1 PTP 报文报头
• Req 报文'>4.3.2 Sync 和 Delay_Req 报文
• Up 报文'>4.3.3 Follow_Up 报文
• Resp 报文'>4.3.4 Delay_Resp 报文
• 4.4 时钟同步报文收发程序设计
• 4.4.1 同步过程状态机
• 4.4.2 同步报文的接收
• 4.4.3 同步报文的发送
• 4.4.4 收发程序设计
• 4.5 本章小结
• 5 测试与分析
• 5.1 时钟同步报文检测测试
• 5.2 介质传输延时测量
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献