簡介

在前面的文章中介紹了i.MX RT1180跨界處理器的主要應用場景是在工業自動化與智能制造的高精度測量領域，而這其中時間同步是一個實時系統能夠穩定運行的關鍵。而主流的工業網絡協議基本上的時鐘同步原理都是一脈相承來自于IEEE 1588標準，今天本文就介紹一下RT1180上如何實現1588同步。

1588基本原理簡介

首先來了解一下802.1AS（又叫gPTP）協議本身。gPTP協議最早可以追溯到20世紀90年代，以太網的速度開始從10Mbps往100Mbps發展，而早期的時間同步協議NTP工作在應用層并且由純軟件實現，它通常只能保證毫秒級的同步精度，這無法滿足工業自動化，汽車，電力系統等應用領域對同步精度的要求。

為了解決這個問題，在2002年,IEEE正式發布了1588協議的V1版本，定義了時間同步的基本原理，此版本的同步精度可以達到亞毫秒級，而在2008年發布的V2版本中引入了硬件時間戳的定義，同步精度由此提升到了亞微秒級。到了2011年第一版的gPTP協議發布，它脫胎于1588V2，但是與之不同的是它對1588V2進行了簡化，拋棄了一些特性選項，并且針對性的僅工作在二層網絡上以提升精度。再到2020年，IEEE又發布了一版802.1AS-2020協議，創新的加入了多個時間域的支持，使得不同種類的應用可以使用獨立的時間域，有效提升了容錯及冗余能力。

同步原理方面，從NTP到gPTP，使用的原理都是同樣的步驟，如下圖所示：

主時鐘與從時鐘之間通過Sync，Follow_up，Delay_req，Delay_rsep四種幀的通信，讓從時鐘能夠獲取與主時鐘的偏移以及傳輸延遲，然后從時鐘調整自己以與主時鐘同步。

通常來說，在計算偏移與延遲的過程中，時間戳越接近模擬信號的出口就能夠獲取越準確的結果，而RT1180就依賴于一個內置的Timer模塊，能夠在MAC的出口獲取時間戳，獲得相對較為準確的數據。

RT1180 1588 Timer模塊

RT1180的Timer模塊的基本結構如下圖所示：

時鐘源的穩定是時鐘同步的基礎，所以RT1180的Timer可以支持多種時鐘源輸入作為計數源，可以根據需求選擇不同穩定標準的時鐘源來作為時基。

這個Timer提供了多個寄存器以提供準確的時間戳。包含兩個64-bit的counter寄存器TMR_CNT，TMR_OFF。除此以外，還提供了兩個32-bit的寄存器TMR_ACC配合TMR_ADD寄存器可以用于微調TMR_CNT的值，以讓輸出的時間戳能夠與主時鐘同步。

具體到它的調節原理如下，TMR_CNT會按照TMR_CTRL[TCLK_PERIOD]中設定的值每個周期遞增，TMR_ACC（定時器累加器）在每個定時器時鐘周期都會按照TMR_ADD[ADDEND]的值遞增。當TMR_ACC累加到溢出時，TMR_CNT會額外加1，用于補償時鐘頻率中的小數部分。調整TCLK_PERIO以及TMR_ADD寄存器的值就可以做到調節Timer的輸出時間戳的值而達到調節時鐘頻率的目的。

同時這個Timer還提供了Alarm以及Fiper寄存器，Alarm寄存器用以實現到達指定時間時輸出脈沖，Fiper模塊用以實現周期性的脈沖輸出，主要用于1PPS信號的輸出。

在實際的1588實現中，在周期性的計算offset的情況下，會使用PI控制的方法來動態調節TCLK_PERIOD與TMR_ADD的值以實現時鐘頻率的微調，讓offset能夠保持在一個穩定的范圍以內。

RT1180時鐘同步效果

同步的基本原理上面已經介紹過了，而在i.MX RT1180上，NXP提供的GenAVB/TSN軟件包也可以用于測量實際的同步效果，下圖就是基于兩塊RT1180-EVK單跳連接下所測量出來的gPTP的同步效果，可以看到offset還是保持在一個較低的值。

在確定性網絡和工業自動化的時代，時間不僅是維度，更是協作的基石。i.MX RT1180憑借精準的時鐘同步能力，讓每一個節點都能“踩準節拍”，實現微秒級甚至納秒級的協同。

未來，無論是智能工廠、車聯網，還是能源系統，這種“魔法”都將成為推動高效、可靠通信的核心力量。時序共律，才能奏響工業互聯的完美樂章！