1.引言
本文章基于stm32官方例程实现，详细代码可下载例程。
在RT-thread系统上实现1588协议，网络驱动上需要做较多的修改。
2.代码修改
2.1驱动分析
当Accumulator register，溢出之后，会增加subsecond register一个步长，这个步长为constant value；每个时钟周期 Accumulator register会加上 addend register的值，这样做的目的是调整 subsecond register 增加的周期。
为Accumulator register提供clock的位系统时钟 HCLK，一般为72MHz，而 subsecond register 增加的频率需要为50MHz。
subsecond register的最大值为2^31，把2^31作为1秒钟，那么每20ns subsecond register需要增加 20ns * (2^31) / 10^9ns = 43 ，即constant value 为43.。
Accumulator register 溢出时间为 49 *10^9 / (2^31) ~= 20.023ns
Addend / 2^32 = (1 / 20ns) /72mhz 换算单位之后 Addend = 2979125334.90
2.2驱动层的修改
原代码的DMA描述符如下：
static ETH_DMADESCTypeDef DMARxDscrTab[ETH_RXBUFNB], DMATxDscrTab[ETH_TXBUFNB];
//STM32的MAC加入时间戳时，会将描述符的地址覆盖，
//所以需要将地址提前保存起来，MAC的时间戳读出来之后，再将地址写回去。
//再创建两个描述符用于保存地址
ETH_DMADESCTypeDef DMAPTPRxDscrTab[ETH_RXBUFNB], DMAPTPTxDscrTab[ETH_TXBUFNB];/* Ethernet Rx & Tx PTP Helper Descriptors */2.3发送函数的更改
rt_err_t rt_stm32_eth_tx( rt_device_t dev, struct pbuf* p)
{
struct pbuf* q;
rt_uint32_t offset = 0;
unsigned char * buffer;
/* get free tx buffer */
{
rt_err_t result;
result = rt_sem_take(&tx_buf_free, 2);
if (result != RT_EOK) return -RT_ERROR;
}
#if LWIP_PTP
unsigned int timeout = 0;
struct ptptime_t timestamp;
DMATxDescToSet->Buffer1Addr = DMAPTPTxDescToSet->Buffer1Addr; //保存地址
DMATxDescToSet->Buffer2NextDescAddr = DMAPTPTxDescToSet->Buffer2NextDescAddr;
#endif
buffer = (unsigned char *)DMATxDescToSet->Buffer1Addr;
for (q = p; q != NULL; q = q->next)
{
rt_uint8_t* ptr;
rt_uint32_t len;
len = q->len;
ptr = q->payload;
/**Copy the frame to be sent into memory pointed by the current ETHERNET DMA Tx descriptor*/
memcpy((void *)(&buffer[offset] ), ptr, len);
offset += len;
}
#ifdef ETH_TX_DUMP
.......
#endif
/* Setting the Frame Length: bits[12:0] */
DMATxDescToSet->ControlBufferSize = (p->tot_len & ETH_DMATxDesc_TBS1);
/* Setting the last segment and first segment bits (in this case a frame is transmitted in one descriptor) */
DMATxDescToSet->Status |= ETH_DMATxDesc_LS | ETH_DMATxDesc_FS;
/* Enable TX Completion Interrupt */
DMATxDescToSet->Status |= ETH_DMATxDesc_IC;
#ifdef CHECKSUM_BY_HARDWARE
........
#endif
/* Set Own bit of the Tx descriptor Status: gives the buffer back to ETHERNET DMA */
DMATxDescToSet->Status |= ETH_DMATxDesc_OWN;
/* When Tx Buffer unavailable flag is set: clear it and resume transmission */
if ((ETH->DMASR & ETH_DMASR_TBUS) != (uint32_t)RESET)
{
/* Clear TBUS ETHERNET DMA flag */
ETH->DMASR = ETH_DMASR_TBUS;
/* Transmit Poll Demand to resume DMA transmission*/
ETH->DMATPDR = 0;
}
#if LWIP_PTP
/* Wait for ETH_DMATxDesc_TTSS flag to be set */
do
{
timeout++;
} while (!(DMATxDescToSet->Status & ETH_DMATxDesc_TTSS) && (timeout < PHY_READ_TO)); //等待加入时间戳
/* Return ERROR in case of timeout */
if(timeout == PHY_READ_TO)
{
return ETH_ERROR;
}
timestamp.tv_nsec = ETH_PTPSubSecond2NanoSecond(DMATxDescToSet->Buffer1Addr);
timestamp.tv_sec = DMATxDescToSet->Buffer2NextDescAddr;
/* Clear the DMATxDescToSet status register TTSS flag */
DMATxDescToSet->Status &= ~ETH_DMATxDesc_TTSS;
DMATxDescToSet->Buffer1Addr = DMAPTPTxDescToSet->Buffer1Addr;
DMATxDescToSet->Buffer2NextDescAddr = DMAPTPTxDescToSet->Buffer2NextDescAddr; //还原地址
/* Update the ETHERNET DMA global Tx descriptor with next Tx decriptor */
/* Chained Mode */
/* Selects the next DMA Tx descriptor list for next buffer to send */
DMATxDescToSet = (ETH_DMADESCTypeDef*) (DMATxDescToSet->Buffer2NextDescAddr);
if(DMAPTPTxDescToSet->Status != 0)
{
DMAPTPTxDescToSet = (ETH_DMADESCTypeDef*) (DMAPTPTxDescToSet->Status);
}
else
{
DMAPTPTxDescToSet++;
}
#else
/* Update the ETHERNET DMA global Tx descriptor with next Tx decriptor */
/* Chained Mode */
/* Selects the next DMA Tx descriptor list for next buffer to send */
DMATxDescToSet = (ETH_DMADESCTypeDef*) (DMATxDescToSet->Buffer2NextDescAddr);
#endif
#if LWIP_PTP
p->time_sec = timestamp.tv_sec;
p->time_nsec = timestamp.tv_nsec;
#endif
/* Return SUCCESS */
return RT_EOK;
}2.4其他
接收函数也做类似的更改，还有中断函数直接参照例程修改就可以。
3.协议分析
1588协议中，定义了两种报文，事件报文和通用报文；
事件报文时间概念报文，进出设备端口时打上精确的时间戳，PTP根据事件报文携带的时间戳，计算链路延迟。事件报文包含以下4种：Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp。
通用报文：非时间概念报文，进出设备不会产生时间戳，用于主从关系的建立、时间信息的请求和通告。通用报文包含以下6种：Announce、Follow_Up、Delay_Resp、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Signaling，目前设备不支持Management、Signaling报文。
时钟同步的实现主要包括3个步骤：
- 建立主从关系，选取最优时钟、协商端口主从状态等。
- 频率同步，实现从节点频率与主节点同步。
- 时间同步，实现从节点时间与主节点同步。
协议初始化之后，开始监听网络，master会主动发送sync、Announce包，slave收到Announce后，添加主机（addForeign函数实现），并对其进行最佳主时钟算法（BMC）比较。
3.1建立主从关系
主从关系建立步骤
PTP是通过端口接收到和发送Announce报文，实现端口数据集和端口状态机信息的交互。BMC（Best Master Clock）算法通过比较端口数据集和端口状态机，实现时钟主从跟踪关系。一般按照下面几个步骤来建立：
- 接收和处理来自对端设备端口的Announce报文。
- 利用BMC算法决策出最优时钟和端口的推荐状态，包括Master、Slave或者Passive状态。
- 根据端口推荐状态，更新端口数据集合。
- 按照推荐状态和状态决策事件，根据端口状态机决定端口的实际状态，实现时钟同步网络的建立。状态决策事件包括Announce报文的接收事件和接收Announce报文的超时时间结束事件，当接口接收Announce报文的时间间隔大于超时时间间隔时，将此PTP接口状态置为Master。
BMC算法
（bmc函数实现），简单的来说就是依次比较每个主机的参数，这几个参数为：gPriority1、clockClass、clockAccuracy、offsetScaledLogVariance、Priority2。这里做一些比较，得出最佳主时钟。
- Priority1：时钟优先级1，支持用户配置，取值范围是0～255，取值越小优先级越高。
- ClockClass：时钟级别，定义时钟的时间或频率的国际原子时TAI（International Atomic Time）跟踪能力。
- ClockAccuracy：时钟精度，取值越低精确度越高。
- OffsetScaledLogVariance：时钟稳定性。
- Priority2：时钟优先级2，支持用户配置，取值范围是0～255，取值越小优先级越高。
最优时钟可以通过手工配置静态指定，也可以通过最佳主时钟BMC（Best Master Clock）算法动态选举。
3.2 PTP频率同步
在主从关系建立后，即可以进行频率同步和时间同步。PTP本来只是用户设备之间的高精度时间同步，但也可以被用来进行设备之间的频率同步。
PTP通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳，计算出主从设备之间的路径延迟和时间偏移，实现主从设备之间的时间和频率同步，设备支持两种携带时间戳的模式，分别为：
- 单步时钟模式(One step)，指事件报文Sync和Pdelay_Resp带有本报文发送时刻的时间戳，报文发送和接收的同时也完成了时间信息的通告。
- 两步时钟模式(Two step)，指事件报文Sync和Pdelay_Resp不带有本报文发送时刻的时间戳，而分别由后续的通用报文Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up带上该Sync和PDelay_Resp报文的发送时间信息。两步时钟模式中，时间信息的产生和通告分两步完成，这样可以兼容一些不支持给事件报文打时间戳的设备。
3.3 PTP时间同步
PTP时间同步有两种不同的同步方式：Delay方式和Pdelay方式，如此划分主要是由于PTP计算路径延时有两种机制。
- 延时请求-请求响应机制E2E（End to End）：根据主从时钟之间的整体路径延时时间计算时间差。
- 对端延时机制P2P（Peer to Peer）：根据主从时钟之间的每一条链路延时时间计算时间差。
fg
对端延时机制P2P(Peer to Peer)
P2P机制是利用延时请求Pdelay_Req报文、延时回答Pdelay_Resp报文和可能的Pdelay_Resp_Follow_Up报文，计算两个支持P2P机制的通信端口之间测量端口到端口的传播时间，也就是路径延时。与延时请求-响应机制相比，路径延时测量原理并无不同，只是路径延时测量在每段链路之间进行，主从节点间每段链路的链路延时累计在Pdelay_Resp或Pdelay_Resp_Follow_Up报文中，向下游传递，同时传递信息还包括同步报文在透明时钟TC上的驻留时间。从节点每段链路的链路延时和在透明时钟TC上的驻留时间，计算主从节点的平均路径延时。
在对端延时机制中，延时测量和端口的主从属性无关，在支持Pdelay机制的两个相连端口之间进行。
Pdelay机制原理
时间戳t1和t2是Pdelay_Req消息发送时间戳和接收时间戳，时间戳t3和t4是Pdelay_Resp消息的发送时间戳和接收时间戳。计算单段链路延时的公式如下所示：
单段链路延时=[(t2-t1) + (t4-t3)]/2 = [(t2-t3) + (t4-t1)]/2。
4.协议代码分析
4.1 handle(PtpClock *ptpClock)函数：
/* check and handle received messages */
static void handle(PtpClock *ptpClock)
{
int ret;
Boolean isFromSelf;
TimeInternal time = { 0, 0 };
//**********************************************************************检查是否收到数据
if (FALSE == ptpClock->messageActivity)
{
ret = netSelect(&ptpClock->netPath, 0);
if (ret < 0) //接收出错
{
ERROR("handle: failed to poll sockets\n");
toState(ptpClock, PTP_FAULTY);
return;
}
else if (!ret) //没有收到数据，直接返回
{
// DBGVV("handle: nothing\n");
return;
}
}
//**********************************************************************
// DBGVV("handle: something\n");
ptpClock->msgIbufLength = netRecvEvent(&ptpClock->netPath, ptpClock->msgIbuf, &time);
/* local time is not UTC, we can calculate UTC on demand, otherwise UTC time is not used */
/* time.seconds += ptpClock->timePropertiesDS.currentUtcOffset; */
if (ptpClock->msgIbufLength < 0)
{
ERROR("handle: failed to receive on the event socket\n");
toState(ptpClock, PTP_FAULTY);
return;
}
else if (!ptpClock->msgIbufLength)
{ //读取数据，接收时MAC层加入的时间戳保存在time中；数据保存在msgIbuf中
ptpClock->msgIbufLength = netRecvGeneral(&ptpClock->netPath, ptpClock->msgIbuf, &time);
if (ptpClock->msgIbufLength < 0)
{
ERROR("handle: failed to receive on the general socket\n");
toState(ptpClock, PTP_FAULTY);
return;
}
else if (!ptpClock->msgIbufLength)
return;
}
ptpClock->messageActivity = TRUE;
if (ptpClock->msgIbufLength < HEADER_LENGTH)
{
ERROR("handle: message shorter than header length\n");
toState(ptpClock, PTP_FAULTY);
return;
}
msgUnpackHeader(ptpClock->msgIbuf, &ptpClock->msgTmpHeader);//将数据包解析后放在ptpClock->msgTmpHeader中。
if (ptpClock->msgTmpHeader.versionPTP != ptpClock->portDS.versionNumber)
{
DBGV("handle: ignore version %d message\n", ptpClock->msgTmpHeader.versionPTP);
return;
}
if (ptpClock->msgTmpHeader.domainNumber != ptpClock->defaultDS.domainNumber)
{
DBGV("handle: ignore message from domainNumber %d\n", ptpClock->msgTmpHeader.domainNumber);
return;
}
/*Spec 9.5.2.2*/
isFromSelf = isSamePortIdentity(
&ptpClock->portDS.portIdentity,
&ptpClock->msgTmpHeader.sourcePortIdentity); //判断是否是同一个主机
/* subtract the inbound latency adjustment if it is not a loop back and the
time stamp seems reasonable */
if (!isFromSelf && time.seconds > 0)
subTime(&time, &time, &ptpClock->inboundLatency);
switch (ptpClock->msgTmpHeader.messageType)
{
case ANNOUNCE:
handleAnnounce(ptpClock, isFromSelf);
break;
case SYNC:
handleSync(ptpClock, &time, isFromSelf);
break;
case FOLLOW_UP:
handleFollowUp(ptpClock, isFromSelf);
break;
case DELAY_REQ:
handleDelayReq(ptpClock, &time, isFromSelf);
break;
case PDELAY_REQ:
handlePDelayReq(ptpClock, &time, isFromSelf);
break;
case DELAY_RESP:
handleDelayResp(ptpClock, isFromSelf);
break;
case PDELAY_RESP:
handlePDelayResp(ptpClock, &time, isFromSelf);
break;
case PDELAY_RESP_FOLLOW_UP:
handlePDelayRespFollowUp(ptpClock, isFromSelf);
break;
case MANAGEMENT:
handleManagement(ptpClock, isFromSelf);
break;
case SIGNALING:
handleSignaling(ptpClock, isFromSelf);
break;
default:
DBG("handle: unrecognized message %d\n", ptpClock->msgTmpHeader.messageType);
break;
}
}
4.2 handleSync
static void handleSync(PtpClock *ptpClock, TimeInternal *time, Boolean isFromSelf)
{
TimeInternal originTimestamp;
TimeInternal correctionField;
Boolean isFromCurrentParent = FALSE;
DBGV("handleSync: received\n");
if (ptpClock->msgIbufLength < SYNC_LENGTH)
{
ERROR("handleSync: short message\n");
toState(ptpClock, PTP_FAULTY);
return;
}
switch (ptpClock->portDS.portState)
{
case PTP_INITIALIZING:
case PTP_FAULTY:
case PTP_DISABLED:
DBGV("handleSync: disreguard\n");
break;
case PTP_UNCALIBRATED:
case PTP_SLAVE:
if (isFromSelf)
{
DBGV("handleSync: ignore from self\n");
break;
}
isFromCurrentParent = isSamePortIdentity(
&ptpClock->parentDS.parentPortIdentity,
&ptpClock->msgTmpHeader.sourcePortIdentity);
if (!isFromCurrentParent)
{
DBGV("handleSync: ignore from another master\n");
break;
}
ptpClock->timestamp_syncRecieve = *time; //保存接收sync报文时，本机的时间戳
scaledNanosecondsToInternalTime(&ptpClock->msgTmpHeader.correctionfield, &correctionField); //保存sync报文的修正时间
if (getFlag(ptpClock->msgTmpHeader.flagField[0], FLAG0_TWO_STEP)) //采用TWO_STEP方式，也就是说发送sync报文主机的时间，通过follow_up报文发送过来而不是包含在sync报文中。
{
ptpClock->waitingForFollowUp = TRUE;
ptpClock->recvSyncSequenceId = ptpClock->msgTmpHeader.sequenceId; //用于识别
/* Save correctionField of Sync message for future use */
ptpClock->correctionField_sync = correctionField;
}
else
{
msgUnpackSync(ptpClock->msgIbuf, &ptpClock->msgTmp.sync);
ptpClock->waitingForFollowUp = FALSE;
/* Synchronize local clock */
toInternalTime(&originTimestamp, &ptpClock->msgTmp.sync.originTimestamp);
/* use correctionField of Sync message for future use */
updateOffset(ptpClock, &ptpClock->timestamp_syncRecieve, &originTimestamp, &correctionField);
updateClock(ptpClock);
issueDelayReqTimerExpired(ptpClock);
}
break;
case PTP_MASTER: //如果本机是主机
if (!isFromSelf)
{
DBGV("handleSync: from another master\n");
break;
}
else
{
DBGV("handleSync: ignore from self\n");
break;
}
// if waitingForLoopback && TWO_STEP_FLAG
// {
// /*Add latency*/
// addTime(time, time, &rtOpts->outboundLatency);
//
// issueFollowup(ptpClock, time);
// break;
// }
case PTP_PASSIVE:
issueDelayReqTimerExpired(ptpClock);
DBGV("handleSync: disreguard\n");
break;
default:
DBGV("handleSync: disreguard\n");
break;
}
}
4.3 handleFollowUp
static void handleFollowUp(PtpClock *ptpClock, Boolean isFromSelf)
{
TimeInternal preciseOriginTimestamp;
TimeInternal correctionField;
Boolean isFromCurrentParent = FALSE;
DBGV("handleFollowup: received\n");
if (ptpClock->msgIbufLength < FOLLOW_UP_LENGTH)
{
ERROR("handleFollowup: short message\n");
toState(ptpClock, PTP_FAULTY);
return;
}
if (isFromSelf)
{
DBGV("handleFollowup: ignore from self\n");
return;
}
switch (ptpClock->portDS.portState)
{
case PTP_INITIALIZING:
case PTP_FAULTY:
case PTP_DISABLED:
case PTP_LISTENING:
DBGV("handleFollowup: disreguard\n");
break;
case PTP_UNCALIBRATED:
case PTP_SLAVE:
isFromCurrentParent = isSamePortIdentity(
&ptpClock->parentDS.parentPortIdentity,
&ptpClock->msgTmpHeader.sourcePortIdentity);
if (!ptpClock->waitingForFollowUp)
{
DBGV("handleFollowup: not waiting a message\n");
break;
}
if (!isFromCurrentParent)
{
DBGV("handleFollowup: not from current parent\n");
break;
}
if (ptpClock->recvSyncSequenceId != ptpClock->msgTmpHeader.sequenceId)
{
DBGV("handleFollowup: SequenceID doesn't match with last Sync message\n");
break;
}
msgUnpackFollowUp(ptpClock->msgIbuf, &ptpClock->msgTmp.follow); //从msgIbuf中 34 36 40位置，获取时间戳，也就是sync的master时间。参考协议
ptpClock->waitingForFollowUp = FALSE;
/* synchronize local clock */
toInternalTime(&preciseOriginTimestamp, &ptpClock->msgTmp.follow.preciseOriginTimestamp);//
scaledNanosecondsToInternalTime(&ptpClock->msgTmpHeader.correctionfield, &correctionField);//handle中赋值msgTmpHeader.correctionfield。这里是follow_up 的修正值
addTime(&correctionField, &correctionField, &ptpClock->correctionField_sync);//handleSync中赋值。这里是sync的修正值。两个修正值叠加
updateOffset(ptpClock, &ptpClock->timestamp_syncRecieve, &preciseOriginTimestamp, &correctionField);//sync接收到时间timestamp_syncRecieve，主机发送sync时间preciseOriginTimestamp，修正时间correctionField
updateClock(ptpClock);
issueDelayReqTimerExpired(ptpClock);
break;
case PTP_MASTER:
DBGV("handleFollowup: from another master\n");
break;
case PTP_PASSIVE:
issueDelayReqTimerExpired(ptpClock);
DBGV("handleFollowup: disreguard\n");
break;
default:
DBG("handleFollowup: unrecognized state\n");
break;
}//Switch on (port_state)
}
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