stm32实现1588协议

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

stm32实现1588协议_第1张图片
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:

  1. 建立主从关系,选取最优时钟、协商端口主从状态等。
  2. 频率同步,实现从节点频率与主节点同步。
  3. 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:

  1. 接收和处理来自对端设备端口的Announce报文。

  2. 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。

  3. 根据端口推荐状态,更新端口数据集合。

  4. 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:gPriority1clockClassclockAccuracyoffsetScaledLogVariancePriority2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。
stm32实现1588协议_第2张图片
 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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