Schwerpunkte

Teil 7 der TSN-Serie

Die Zeitsynchronisation

07. Januar 2021, 12:01 Uhr   |  Meinrad Happacher


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Die Optionen der Implementierung

Bild 3. Die Blockdiagramme einer HW-SW-Co-Lösung und einer FPGA-Lösung.
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Bild 3. Die Blockdiagramme einer HW-SW-Co-Lösung und einer FPGA-Lösung.

Grundsätzlich ist eine Implementierung als reine Software-, kombinierte Hardware-Software- oder reine Hardware-Lösung möglich. Für Endpunkte, welche in einem TSN-Netzwerk nur zeitunkritische Aufgaben erfüllen, zum Beispiel eine Visualisierung oder Monitoring-Applikation, kann eine reine Software-Lösung ausreichend sein.
Für TSN-Netzwerke mit der Anforderung einer Synchronisationsgenauigkeit <1 μs und somit der Netzwerk-Infrastruktur sowie den betroffenen Endpunkten, gibt es de facto nur zwei mögliche Ansätze (Bild 3): Software mit Hardware (SW-HW- Co-Lösung) oder eine reine Hardware-Lösung (FPGA-Lösung).

Die SW-HW-Co-Lösung

Bei einer SW-HW-Co-Lösung ist es normalerweise so gelöst, dass alles Zeitkritische in Hardware gelöst ist und alles Zeitunkritische in Software. Ein weit verbreitetes Beispiel dafür ist die PTP-Lösung mit ptp4l. ptp4l ist eine Open-Source-Protokoll-Stack-Implementation für Linux nach IEEE 1588/IEEE 802.1AS. ptp4l handhabt hierbei alles, was mit dem PTP Frame Versand/Empfang zu tun hat, die Protokoll-Algorithmen, einschließlich der Auswertung der Zeitstempel und Berechnung der Regelparameter für die Uhr. Die eigentlichen Zeitstempel kommen dabei aber von einer dedizierten Hardware – zum Beispiel Netzwerk-Karten – welche über das Socket API die Zeitstempel zur Verfügung stellt. Meistens befindet sich auf derselben dedizierten Hardware auch eine regelbare Uhr – die Zeitstempel kommen ja von einer Uhr –, welche über das PHC API von ptp4l angesprochen wird. Somit wäre die Problematik der Zeitstempel und regelbaren Uhr gelöst.

Der Punkt ist nun jener, dass die hochgenaue Zeit jetzt auf der Netzwerk-Karte zur Verfügung steht, dort ist sie aber bis auf PTP eigentlich nutzlos, außer den hardwarespezifischen Features, welche herstellerspezifisch sind. Hierfür braucht es nun noch ptp4l-spezifische Tools (phc2sys), um etwa die System Clock der PTP-Uhr (PHC Clock) nachzuführen und darauf entsprechend synchrone Events zu generieren oder Zeitstempel zu nehmen. Dabei ergeben sich zwei zusätzliche Quellen für Ungenauigkeit, einerseits beim Aufsynchronisieren des System Clocks und anderseits bei der Event-Generierung und Zeit-Stemplung, was sehr CPU-Last-abhängig sein kann. Um eine hohe Präzision zu erzielen, ist hier eigentlich ein Echtzeit-OS erforderlich. Neben ptp4l gibt es weitere kommerzielle PTP-Stacks, welche beispielsweise auch Nicht-Linux-Systeme unterstützen und dann auch auf MCUs zum Einsatz kommen können.

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1. Die Zeitsynchronisation
2. Die Qualität der Synchronisation
3. Die Optionen der Implementierung
4. Die Hardware-Lösung
5. Übersicht: IEC-61156-Standards für Single Pair-Ethernet-Leitungen.

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