此外，本文的第二部分將研討同步的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標：精度與準確性和集成。 從這兩個(gè)指標出發(fā)，我將介紹Versal™ 系列之所以成為理想同步平臺的特定功能，幫助讀者以全新、獨到的視角理解這種改變游戲規則的革命性的可編程、自適應平臺。

 

無(wú)處不在的同步

 

沒(méi)有同步，眾多應用根本不可能存在。為什么這么說(shuō)呢？本段將使用兩個(gè)具有代表性的示例來(lái)支持這個(gè)論斷。

 

在本文中，術(shù)語(yǔ)時(shí)鐘 (clock)、時(shí)間、鐘表時(shí)間 (TOD) 同義。

 

具體而言，對于同步，時(shí)鐘 (clock) 并非周期性的波形（圖 1）。

 

圖 1 - 在同步情景下定義時(shí)鐘。

 

在我們的日常生活中（例 1），我們經(jīng)常說(shuō)“明天下午 2點(diǎn)見(jiàn)面”。這個(gè)簡(jiǎn)單陳述包含眾多關(guān)于同步的假設：

 

●    它假定受邀與會(huì )的人有同樣的時(shí)間觀(guān)念。如果您身處中歐，這句話(huà)假定雙方都使用 UTC +1[1]

●    UTC時(shí)間由位于倫敦的計量實(shí)驗室維護，也是世界常規使用的時(shí)間。我們的手機運行 UTC 時(shí)間的副本并定期在后臺與 UTC 同步，確保二者保持同步。我們的計算機也進(jìn)行相同的操作[2]。

 

簡(jiǎn)單的一句陳述“我們在下午2 點(diǎn)見(jiàn)”，假定其背后存在復雜的基礎設施，而我們下意識地參考它。

 

例2 中考慮了一個(gè)“顯著(zhù)”不同的情況：通過(guò) GNSS 進(jìn)行地理定位[3]。

 

手機接收來(lái)自多個(gè)不同衛星的時(shí)間（就是時(shí)鐘），每個(gè)衛星在同一時(shí)間發(fā)送一個(gè)。手機并非與所有衛星距離相等，因此可以測量由不同源發(fā)送的時(shí)鐘之間的相位差。如果衛星位置先天已知，GNSS接收器就很容易地重新計算自己的位置。

 

上面這兩個(gè)示例有眾多相似性：受邀參會(huì )的雙方有相同的時(shí)間觀(guān)念，就如例 2 中的衛星。此外，雙方和衛星都保持他們/它們參考的公共時(shí)間的副本。他們/它們并非直接共享同一個(gè)時(shí)間源，因為他們/它們在地理位置上彼此遠離。

 

同步是讓本地時(shí)鐘副本（從時(shí)間）與公共參考（主時(shí)間）隨時(shí)間推移保持一致的技術(shù)。這就是我們在尋找的定義。

 

在上面兩個(gè)示例中，任何同步誤差都會(huì )影響最終應用的性能。在第一個(gè)示例中，如果受邀人自己的時(shí)鐘慢了（舉例），他在會(huì )面時(shí)就會(huì )遲到。

 

在第二個(gè)示例中，如果衛星的本地時(shí)鐘副本有誤差，那么 GNSS 接收器將計算出錯誤的位置。

 

雖然兩種應用有眾多相似性，但二者之間存在根本的區別，即應用要求的準確性不同。在第一個(gè)示例中，如果時(shí)鐘慢了 1 秒，沒(méi)有人會(huì )抱怨，因為延誤 1 秒對會(huì )議而言一般可以容忍。而對于 GNSS 接收器，誤差 1 秒將導致計算出錯誤的位置，直接讓?xiě)貌痪邆涫褂脙r(jià)值。

 

這就告訴我們，雖然這兩種應用依靠相同的技術(shù)（同步），但驗收標準完全不同。事實(shí)上，驗收標準只與應用有關(guān)。雖然準確性是最重要的驗收標準之一，但絕非唯一的標準。安全性、可用性、精度、集成度等都是其他的驗收標準示例。

 

在我們繼續研討之前，有必要簡(jiǎn)要介紹一下 UTC的背景。UTC使用原子鐘確保時(shí)間單位秒得到正確地定義?？梢詫⒌厍蜃赞D作為一種時(shí)間基準，但令人遺憾的是，它的準確度欠佳，因為它逐年發(fā)生數秒的變化。在經(jīng)歷長(cháng)時(shí)間以后，累積的誤差有可能導致 UTC 完全與地球時(shí)間不同步。例如在多年后，本該是中午，但 UTC時(shí)間是夜晚。為了解決這種潛在的長(cháng)期失準問(wèn)題，倫敦計量實(shí)驗室通過(guò)選擇性地定期增減1 秒，對 UTC進(jìn)行補償。這一般在每年的 6 月末和 12月末進(jìn)行。這些校正被稱(chēng)作閏秒[4]。

 

全球定位系統 (GPS) 分配的時(shí)間使用與 UTC 相同的秒定義，但沒(méi)有采用閏秒。因此在 2021 年年初，GPS 時(shí)間和 UTC 時(shí)間相差 18秒。這個(gè)數字在未來(lái)還會(huì )改變。

 

作為用戶(hù)，我們不必擔心這些校正。我們的手機和計算機將在后臺同步到 UTC，即便存在閏秒，也能保持一致。

 

為在無(wú)數據覆蓋的時(shí)間和地點(diǎn)傳播 UTC，UTC 時(shí)間也通過(guò)德國 DCF77 電臺用長(cháng)波傳播[5]。

 

您也許會(huì )覺(jué)得相當意外，但原子鐘的精度遠優(yōu)于地球自轉。

 

Versal中的同步指標

 

同步這一術(shù)語(yǔ)代表的是通用技術(shù)，而驗收標準則與應用嚴格相關(guān)。在下文中，我將著(zhù)重介紹 Versal 自適應計算加速平臺 (ACAP) 的兩個(gè)具體指標：

 

●    準確性和精度。

●    集成：應用的范圍一般遠不止于同步。選擇集成所需的所有軟件塊和硬件塊的平臺是正確的做法。

 

Versal在這兩個(gè)指標上都表現優(yōu)異，我將具體解釋其原因。

 

準確性與精度

 

讀者可能想知道的第一個(gè)問(wèn)題是：準確性和精度，它們是不是一回事？

 

站在測量理論的角度，精度和準確性有不同的意義且彼此獨立。我們現在具體了解。

 

如果重復測量同一對象得到的結果彼此相近（即使不正確），那么這個(gè)測量系統屬于“高精度”。

 

如果重復測量同一對象得到的結果的平均值正確，這個(gè)測量系統屬于“高準確性”。

 

為更深入地理解上述定義，讀者應考慮圖 2。在該系統中，對象（紅點(diǎn)）的位置在二維空間內，而且我們想要測量它的位置。

 

我有兩個(gè)儀器（藍色和綠色），能測量對象的位置。五個(gè)藍點(diǎn)是藍色儀器完成的測量。五個(gè)綠點(diǎn)是綠色儀器完成的測量。

 

圖  2 - 精度與準確性對比。

 

根據上述定義，綠色儀器比藍色儀器更準確，藍色儀器比綠色儀器更精確?，F在很容易理解準確性和精度是彼此獨立的概念。讀者可以輕松地生成各種測量值集，可以是既不精確也不準確，或者是既精確又準確。

 

換言之，我們可以看到，只要測量系統是準確的，求平均值就是提高我們對這個(gè)對象的位置的認知的良好途徑。

 

如果測量系統不準確，校準是我們可以考慮的唯一解決方案。

 

導致時(shí)鐘的本地時(shí)鐘副本不準確的最主要因素之一是電子電路，特別是收發(fā)器的 FIFO：

 

●    收發(fā)器FIFO 的時(shí)延在每次啟動(dòng)時(shí)會(huì )發(fā)生改變

●    收發(fā)器FIFO 存在 PVT 相關(guān)時(shí)延[6]

 

上述兩個(gè)因素需要分開(kāi)考慮，因為它們對準確性產(chǎn)生影響的方式不同。

 

第一個(gè)因素直接影響準確性：如果接收器和發(fā)送器在啟動(dòng)時(shí)時(shí)延不同，IEEE1588 機制將無(wú)法檢測出這種不同。任何失衡都會(huì )直接地影響準確性。甚至求平均值也不能緩解。對于圖 3 所示的這個(gè)案例，讀者會(huì )注意兩個(gè)測量值集存在偏向。

 

令人驚奇的是，第二個(gè)因素對準確性沒(méi)有影響。事實(shí)上，因環(huán)境條件（電壓和溫度）造成的時(shí)延變化將同時(shí)適用于接收器和發(fā)送器，并且 IEEE1588 機制將予以抵消。在我們繼續進(jìn)行研討前，我認為我們應該更詳細地考慮一下上面這個(gè)論述。

 

這是否暗示時(shí)間傳遞只在啟動(dòng)后進(jìn)行一次？答案是否。

 

如果我們只校準一次，盡管 RX 和 TX 之間存在對稱(chēng)性，但時(shí)延的改變仍會(huì )引起從時(shí)鐘誤差，而且這個(gè)誤差將隨著(zhù)溫度/電源漂移不斷累積。這種情況的對策是以快于溫度/供電變化的速度再同步。

 

我們回顧一下到目前的內容：影響因素 1 要求我們在啟動(dòng)時(shí)分別了解 RX 和 TX 的時(shí)延。影響因素 2 要求我們隨時(shí)間推移，用足夠快的速度再同步從時(shí)鐘。

 

Versal 收發(fā)器提供不同的替代方法來(lái)測量并控制時(shí)延，既在啟動(dòng)時(shí)也在運行中，這些方法可分為下列兩種類(lèi)型：

 

圖  3 - 啟動(dòng)間的時(shí)延變化。

 

●    緩沖器旁路。

●    FIFO 時(shí)延測量。

 

緩沖器旁路允許在 RX 和 TX 方向繞過(guò) FIFO，通過(guò)建立精密的時(shí)鐘方案，可處理跨時(shí)鐘域的數據，且避免時(shí)序誤差[7]、[8][i]。毋庸贅述，緩沖器旁路的時(shí)延最小。雖然這種“副作用”可能對同步應用無(wú)關(guān)，但這對高頻交易 (HFT) 等其他行業(yè)領(lǐng)域而言則是關(guān)鍵。

 

緩沖器旁路能通過(guò)將收發(fā)器時(shí)延設定成固定值來(lái)解決問(wèn)題，而另一類(lèi)值得重視的方法是將重點(diǎn)放在時(shí)延測量本身。如果任何給定時(shí)間點(diǎn)的時(shí)延已知，則可以方便地重新用于以數學(xué)方式校正鐘表時(shí)間 (TOD) 值。

 

這種方法對同步應用很有意義，因為它不必修改 IP 本身的時(shí)鐘架構，就能為所有 IP（首先是以太網(wǎng)）提供自然的升級路徑。

 

精度同時(shí)通過(guò)兩類(lèi)方法實(shí)現，因為精度取決于：

 

●    收發(fā)器內置的硬編碼模擬相位檢測器以及

●    用戶(hù)控制的模擬相位內插器。用戶(hù)可以用皮秒范圍的增量輕松實(shí)現時(shí)鐘相位的步進(jìn)或步退。

 

雖然這看似值得關(guān)注，但其準確性如何？失準的典型原因是啟動(dòng)之間的時(shí)延變化，這是分頻器在重置后的隨機相位造成的。

 

Versal 能夠在啟動(dòng)時(shí)測量或設置時(shí)延。這個(gè)初始校準階段有助于確保已去除收發(fā)器中的所有失準源。

 

正如我們之前提到的，運行中發(fā)生的時(shí)延改變對 RX 和 TX 是對稱(chēng)的，可通過(guò) PTP 機制本身予以補償。我認為對這個(gè)最后的論述有必要詳細闡述。如果 PTP 能夠補償這種類(lèi)型的時(shí)延改變，那么隨時(shí)間推移時(shí)延測量的優(yōu)勢是什么？

 

很多情況下，時(shí)延的改變在 RX 和 TX 之間并不對稱(chēng)。讀者可以考慮固有的非對稱(chēng)協(xié)議的情況，例如 PON[9]。

 

在其他情況下，RX 路徑和 TX 路徑可以在不同物理器件上：在測試設備上是典型情況。不同的器件可能有不同溫度，不同工藝和不同電源。所有這些原因綜合起來(lái)，將導致  RX 和 TX 之間的時(shí)延會(huì )隨時(shí)間的推移而演進(jìn)發(fā)展，從而導致失準。

 

上面的示例，只是用來(lái)支持 RX 和 TX 之間的時(shí)延并非總是一起變化的觀(guān)點(diǎn)。

 

雖然很多平臺都能正確地實(shí)現 PTP 協(xié)議，但 Versal 平臺便于您在工作中運用自己的專(zhuān)業(yè)知識和思路，打贏(yíng)這場(chǎng)準確性之戰。這是一款助力您將創(chuàng )意變?yōu)楝F實(shí)的標準產(chǎn)品。

 

從納秒級的典型架構時(shí)鐘，到 Versal 內硬編碼的模擬相位內插器提供的皮秒級時(shí)鐘，Versal ACAP 在收發(fā)器時(shí)延控制和時(shí)延測量方面，堪稱(chēng)變革者。

 

單芯片系統

 

在之前的部分中，我們已經(jīng)了解到 Versal 為何在準確性和精度上表現優(yōu)異，以及開(kāi)發(fā)同步應用時(shí)的關(guān)鍵因素。

 

我希望讀者現在把重點(diǎn)放在“同步應用”的含義上：任何運用這項功能在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間傳遞 TOD 的應用都屬于這個(gè)類(lèi)別。毋庸贅述，這嚴重取決于具體用戶(hù)。一般情況下，這需要配備帶有專(zhuān)有軟件、計算邏輯和各種接口的處理器。大多數情況下，它甚至還需要高速 ADC 或 DAC 以及/或者 DSP 引擎。

 

Versal 是一種自適應計算應用平臺 (ACAP)，前文提及的所有構建塊都在單芯片上集成在同一封裝內。

 

系統架構師和設計師將能夠運用自己的專(zhuān)業(yè)知識，在單顆器件上實(shí)現自己的應用。這是落實(shí)您的構想的最便捷、最快速的途徑。

 

這只是關(guān)于Versal ACAP 的一個(gè)不同視角：在單芯片上運行并準確同步完整應用。

 

結論

 

本文從兩個(gè)角度介紹了同一個(gè)具有革命性意義的 Versal 平臺：一個(gè)角度從宏觀(guān)上了解了運行著(zhù)配有線(xiàn)接口和無(wú)線(xiàn)接口的定制可編程引擎的完整應用。

 

另一個(gè)角度在微觀(guān)上揭示出每種接口如何為極準確的時(shí)間傳播提供支持。

 

處于 Versal 平臺的核心的，是構建您自己的應用所需的可編程邏輯。

 

在單顆器件上準確同步完整應用。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Paolo 是賽靈思首席工程師，負責為歐洲、中東和非洲的戰略客戶(hù)提供技術(shù)支持。他的主要研究領(lǐng)域包括猝發(fā)數據恢復電路、網(wǎng)絡(luò )時(shí)序同步、超采樣技術(shù)和低時(shí)延傳輸架構。他是國際時(shí)間與同步論壇 (ITSF) 指導委員會(huì )委員。

 

Paolo 從米蘭理工大學(xué)微電子專(zhuān)業(yè)獲得碩士學(xué)位，持有 19 項已授權專(zhuān)利。

 

[1]協(xié)調通用時(shí)間 (UTC)。UTC基于世界各地多部原子鐘的平均值。

[2]通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議 (NTP)

[3]全球導航衛星系統。最為人熟知的GNSS 示例是美國擁有的GPS。此外，現在還有伽利略（歐盟所有）、格洛納斯（俄羅斯所有）和北斗（中國所有），這只是其中幾個(gè)最出名的導航衛星系統。我們手機中的所有現代化 GNSS 接收器都能使用多個(gè) GNSS 系統，以提高運行精度。

[4]進(jìn)一步了解可參閱https://en.wikipedia.org/wiki/Leap_second。該網(wǎng)頁(yè)不僅提供了自 1972 年以來(lái)采用的全部閏秒，而且也對這種方法進(jìn)行了介紹。

[5]進(jìn)一步了解請參閱： https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77

[6]PVT 指功耗、電壓與溫度。

[7]UltraScale 架構 GTY  收發(fā)器使用指南

https://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug578-ultrascale-gty-transceivers.pdf

[8]“白皮書(shū)《賽靈思：實(shí)現 PTP 準確性的最佳平臺》https://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp524-1588-platform.pdf

[9]進(jìn)一步了解，請訪(fǎng)問(wèn)：https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_optical_network

 

 

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