車載gptp同步原理介紹

ptp/gptp

在車載，vehicle time使用gptp來做vehicle time的同步，gptp算是ptp的簡化版，規(guī)范定義來源于IEEE 802.1AS，理論上可以達到ns級的誤差。針對不通的ptp版本和gptp的對比如下：

1. gptp同步原理

針對gptp，所有slave節(jié)點，都與master（grandmaster）的時鐘保持同步；在車載領域，master節(jié)點都是靜態(tài)指定的，并且從功能安全的角度來看，會選擇具備功能安全的mcu來做為master節(jié)點。所以會一般選用gw（gateway）或者tbox來做master，而選擇gw或者tbox對后續(xù)整車整個時間管理是策略會有影響。

master節(jié)點的sync報文（sync+follow up，以下用sync報文代替）會使用二層報文傳遍整個時鐘樹，gptp中，sync報文使用二層報文，mac地址是指定的廣播mac地址，但是實際上sync報文都是以單播的形式發(fā)送到下一跳節(jié)點，如果下一條節(jié)點是Bridage，則將重新修正correctionField（路由處理所消耗的時間），然后再將原來信息添加到sync報文從而路由到下一跳節(jié)點，直至到終端節(jié)點--End-Station。sync報文會包含master preciseOriginTimestamp、correctionField等。如下圖：

slave節(jié)點會根據(jù)sync報文帶上的preciseOriginTimestamp、correctionField來調整自己的時鐘頻率以及偏移；為了消除總線上的傳輸時延，slave節(jié)點會發(fā)送延遲測量報文，由于在車載每一跳都會有gptp協(xié)議棧，所以理論上測出的時鐘同步是單向、精確的，如下圖：

Pdelay=（（t（4）-t（1）） - （t（3）-t（2）））/2

Pdelay測量的僅僅相鄰兩跳之間的傳輸時延，所以Pdelay是不會穿透Bridge的，從上面可以看到，gptp相對于can tsync不僅僅消除了傳輸延遲和路由報文時的處理延遲，同時時間戳是由硬件加上的，所以其時鐘同步精度遠遠大于can tsync。

有了上述基礎后，我們將所有gptp報文放一起，如下所示，并推導出slave節(jié)點用于調幅和調相的公式。

C Pdelay = （（t6-t3）-（t5-t4））/2 Gm = t1 + Pdelay + CorrectionField //主時鐘時刻+線纜傳輸時間+路由報文花銷掉的時間 TimeOffset = t2 - Gm //用于調相或者調幅 Ratio = （Gm-Gm_last） /（t2-t2_last） //Gm_last和t2_last可以更久之前的。 FreqOffset = （1-Ratio）*1e9//用于調頻

根據(jù)規(guī)范，sync報文一般是125ms發(fā)送一次；而Pdelay報文是1s發(fā)送一次，也可以是每次sync報文觸發(fā)一次Pdelay報文，并且一般來說說同步精度是可配置的，當超過threshold時才去調整本地時鐘。gptp調整的時鐘（gptp時鐘），是與網(wǎng)卡時鐘源同一層級的時鐘樹端點，在linux上一般會抽象成設備，也就是/dev/ptpx；在使用硬件時鐘戳時，當網(wǎng)絡報文發(fā)送或者接收時的采樣點到達時，會從gptp時鐘上獲取時間戳。采樣點如下圖所示：

額外：上圖不僅僅展示了采樣點，還展示了latency，如果是為了追求超高精度的時鐘同步，需要將ingress_latency和egress_latency在實際計算時進行補償。

gptp報文格式略微復雜，在這里不再具體展開，對于了解gptp原理的角度來說，可以暫時不用關注報文格式。