同步机制 - “ 大白兔”： 实现超高精度时间传输以及无损的全面数据传输

SevenSolutions 提供的全新ZEN 电路板将展示“大白兔”的主要组份如何在产品中结合（图2）。ZEN 电路板以赛灵思Zynq-7000 All Programmable SoC 为基础，内含“大白兔”内核以及可提供高精度时钟的千兆位以太网MAC 实现方案。在“大白兔”内核中实现的同步机制包括以下组份：

● 频率同步（同步）：这可通过使用SynCE 实现，其可编码数据载体中的时钟信号。为确保所有节点都使用相同的频率，我们采用一个基于本地振荡器的机制，该振荡器可通过从光链路恢复的外部时钟进行控制。

● 相位同步：节点的物理时钟可转发至主设备组份，或从主设备组份转发至节点，以便主设备能够将该信号（来自从设备）的相位与自己的相位相比较。偏差应该与信号通过光纤的传播时间相同（使用PTP 进行正确测量）。有了该信息，主设备就可确定其自己的时钟与来自从设备的时钟之间的相位差，并要求从设备将其相位转换成与主设备完全相同的值。该过程可通过在FPGA 门控件中实现一个数字DMTD 来数字化完成。

● 时间同步：这是使用PTPv2 协议的结果，该协议不仅可测量链路传播时间，而且还可提供全局时间概念。此外，“大白兔”还考虑了因在双向光纤中为每次通信传输（在环路中向前和向后）使用不同波长而产生的有关传播时间的不对称性，从而可提高标准PTP 协议的精度。由于频率和相位之前已经同步，因此我们可以在”大白兔”网络中确保所有设备的全局时间概念。

所有这些工作均可在“ 大白兔”内核中实现，一部分使用适当的FPGA 门控件，一部分使用嵌入式软件内核。“大白兔”产品包括执行这些不同时钟工作所需的适当振荡器、PLL 和时序电子产品。

作为案例研究，下面我们将更详细了解ZEN 电路板。该电路板采用双路“大白兔”内核（D-WRC），这是Seven Solutions 用我们最新赛灵思7 系列产品开发的原始“大白兔”内核的修订版。D-WRC 能够同步两个“大白兔”节点，也可作为菊花链网络中的中间链路。此外，ZEN 电路板还包含由D-WRC 控制的高精度、低抖动、温度补偿时钟资源。

此外，Zynq SoC 在Linux 操作系统下运行的双核ARM® CortexTM-A9处理器可促进用户应用的开发。板载提供Linux，有助于使用令人关注的全新特性，例如适用于配置的Web 服务、状态监控的SNMP 支持以及远程固件加载与更新。

 

图2 — 基于Xilinx Zynq SoC器件的“大白兔”门控组份

ZEN 电路板旨在用作提供高精度时间，它可提供多样化连接与扩展带来的大量可能性：

● RIG-B I/O 是ZEN 电路板使用的当日时间，它既可作为主设备，也可作为从设备。

● 两个连接至A R M 处理器的10/100/1000 以太网端口可用于各类网络应用和协议（NTP、sNTP、PTPv2 以及管理等）。

● 提供两个SFP 模块，用于插接符合”大白兔”规范的链路。

● SMA 连接器可让ZEN 电路板与更精确的时钟同步（例如GPS 源或高稳定振荡器），提供由“大白兔”同步的各类时钟。

● FMC 连接器可插入一款采用“大白兔”项目框架开发的夹层板，或是市场现有的任何其它工业电路板。这些FMC 卡不仅可增强ZEN 的发展潜能，而且还可实现大量的产品配置。

● 存储器资源包括SD、DDR3 和闪存。

● 包含两个UART-USB 连接器，可在D-WRC 和Cortex 处理器中进行管理和调试。

简言之，ZEN 电路板可为最终用户提供一个节点，其不仅可实现亚纳秒同步并以菊花链方式工作，同时还可尽其所能地提供最佳的Zynq SoC与全新水平的系统设计功能。

“大白兔”设备
“大白兔”技术肇始于CERN 提倡的开放式硬件社区（开放式硬件库，OHWR）。为加速该技术的学习进程，Seven Solutions 开发出了一款由两片名为SPEC 的Spartan®-6 电路板组成的“大白兔”入门套件。其中一个可配置为主设备，另一个则可配置为从设备。目的是鼓励用户执行几个早期评估实验。

这项技术最复杂的组份是交换机。我们通过与CERN、GSI 以及其他合作伙伴合作，共同开发了18端口“大白兔”交换机，从而设计了采用MicroTC 尺寸规格的主板。核心组份是一款Virtex®-6 (LX240T)FPGA。我们将该器件与一款运行嵌入式Linux 操作系统的外部处理器（ARM926E）进行配对，执行了系统更新和文件管理等各项高级工作。该交换机使用了18 个针对SFP的GTX 链路以及40 个面向通用任务（LEDS、SFP 检测等）的GPIO。这是一种非常复杂的产品，既能分配时间，也能在使用标准电信工具的同时处理数据包。

近期，Seven Solutions 将“大白兔”内核移植到了LEN 电路板中的赛灵思Artix® FPGA 系列中（图3），实现了比现有OHWR 器件成本更低、能效更高的解决方案。此外，我们刚刚开发出了一款基于Zynq SoC 器件的“大白兔”产品。该WR-ZEN 节点（之前的名称）代表一个完整的通用片上系统方法，其中节点和计算机都整合在同一电路板中。该解决方案可在降低成本，改善系统灵活性的同时，实现更便捷的维护。

 

图3 —“大白兔”LEN电路板（上图）和ZEN（右图）电路板。它们分别由Artix FPGA和Zynq SoC器件提出支持，采用支持工业应用的适当外壳。

Seven Solutions 目前开发的工业产品可为管理、配置和监控提供标准接口，不仅能充分利用“大白兔”技术的各项优势，同时还可提供更强大的特性、支持和文档。

“大白兔”应用
“大白兔”技术的第一个目标是科学应用。近期该技术已经在一些设备及研究项目中整合，用于高能物理及分布式射电天文设施的框架中。“大白兔”技术已经在多个粒子加速器（CERN、GSI 以及其他机构）中使用，而且KM3NeT 与HISCORE 等国际科研计划也正在考虑使用该技术。因此，“大白兔”方法已在各种要求严格的应用中得到验证，这类应用要求通过大型设施上的分布式仪器实现精确的时序与频率转移。

2014 年，“大白兔”还由荷兰VSL 进行了125km 的远距离链路测试，并由芬兰MIKES 进行了1,000km的远距离链路测试。

在科研领域之外的广泛应用中也需要精确时序。智能电网要求准确可靠的时序，而高频率交易也离不开经过认证的精确时序。