Bild 1: IEEE 1588 FPGA IP von IXXAT. Precision Time Protocol: Hardware-Assistenten sorgen für höchste Präzision

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1 Presseinformation Bild 1: IEEE 1588 FPGA IP von IXXAT Precision Time Protocol: Hardware-Assistenten sorgen für höchste Präzision Weingarten Dank Echtzeiterweiterung und kostengünstiger Komponenten kommt Ethernet zunehmend in der Automatisierung und Messtechnik zum Einsatz. Für viele Automatisierungsanwendungen ist eine zeitlich exakte Synchronisierung der Steuerungen, Sensoren und Aktoren innerhalb eines Netzwerks oder von mehreren Netzwerken untereinander erforderlich. Eine Möglichkeit dafür bietet das Precision Clock Synchronisation Protocol for Networked Measurement and Control Systems oder kurz Precision Time Protocol (PTP), das durch den IEEE-Standard 1588 definiert ist. Das Protokoll liefert aber nur die Basis: Für höchste Präzision bei der Synchronisierung bedarf es der Unterstützung durch geeignete Hardware. Der folgende Text beschreibt die Funktionsweise des PTP und welche hardwarebasierten Lösungen sich dafür anbieten. Die heutige Industrie setzt zunehmend verteilte Systeme ein, die untereinander mit einem Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. Bei vielen Anwendungen werden hohe Anforderungen an die zeitlich genaue Analyse von Messwerten und die Synchronität der Arbeitsprozesse gestellt. Zum Beispiel wird die Erkun-

2 Seite 2: IEEE 1588 dung des Meeresbodens durch zeitgleiches Erfassen von Messwerten ermöglicht; roboterbasierte Fertigungsprozesse hängen von der exakten Koordination der Bewegungsabläufe ab und bei verteilten Mikrofonsystemen ist die genaue gleichzeitige Erfassung von Audiosignale von zentraler Bedeutung. Im Bereich des Audio-Video-Broadcasting (AVB) ist die zeitlich getriggerte Ausgabe von Multimediadaten derzeit ein heiß diskutiertes Thema und die Telecom benötigt zeitlich genaue Taktgeber in ihren verteilten Geräten. All diese Anforderungen erfordern ein System, das die Zeit über weit verteilte Netzwerke unter den Aktoren und Sensoren hochgenau synchron hält. IEEE 1588 Im Jahr 2002 verabschiedete das IEEE erstmalig den Standard 1588 zur Zeitsynchronisation; 2008 folgte eine um zusätzliche Funktionalitäten erweiterte Spezifikation. Das in 1588 definierte Protokoll synchronisiert unterschiedliche Teilnehmer über günstige Standardtechnologien, die nicht auf Ethernet beschränkt sind, aber hauptsächlich dort zum Einsatz kommen. Die Spezifikation geht von einer Genauigkeit der Synchronisierung von < 1 µs aus. Dieser Wert gilt aber nur für rein softwarebasierte Lösungen; mit entsprechender Hardwareunterstützung sind maximale zeitliche Abweichungen zwischen den Teilnehmern im ein- bis zweistelligen Nanosekundenbereich erreichbar. Ein basiertes System wird durch den Austausch von Zeitinformationen synchronisiert, wobei anhand des Best-Master-Clock-Algorithmus (BMC) diejenige Uhr ermittelt wird, die aufgrund ihrer Parameter die beste Zeitbasis vorzuweisen hat. Die Werte sind abhängig von den physikalischen Eigenschaften, wie der Genauigkeit des Quarzes, der zugrundeliegenden eigenen Synchronisation (z. B. auf GPS-Signale) und einigen Einstellungen, die der Feinjustierung dienen. Mittels des Algorithmus wird kontinuierlich eine PTP-Hierarchie ermittelt, in der sich Slaves auf einen in ihrem lokalen Netz befindlichen Master synchronisieren. Durch die zyklische Ausführung des BMC-Algorithmus lassen sich auch während der Laufzeit Teilnehmer zuschalten oder entfernen (hot plugging). Steht die genaueste Uhr fest, sendet diese als Grandmaster Clock bezeichnete Referenzuhr ihre aktuelle Zeit in einer Sync-Nachricht an die Slaves. Zur Ermittlung der noch unbekannten Netzwerkverzögerung und somit ihres tatsächlichen Offsets zur Master-Uhr müssen die Slaves dann noch eine Delay- Request-Nachricht an den Master senden, der mit einer weiteren Zeitinformation antwortet. Entscheidend ist die Zeitstempelung jeweils beim Senden und Empfangen der Event-Nachrichten. Der Master sendet nach seiner Zeitangabe in der Sync- noch eine Follow-up-Nachricht zur Präzisierung, da der Sendevorgang seinerseits die Nachrichten verzögert. Mittels dieser Zeitstempel kann der

3 Seite 3: IEEE 1588 Slave den Offset zum Master sowie den Delay auf dem Netzwerk berechnen und damit die eigene Uhr per Reglung an die Grandmaster-Zeit anpassen. Bild 2: Zeitdiagramm des Delay Request Response Mechanismus Dieser so genannte Delay-Request-Response-Mechanismus wird im Zeitdiagramm (Bild 1) dargestellt. Der 2008er Standard definiert darüber hinaus weitere Methoden zur Synchronisation sowie zusätzliche Funktionalitäten und verfeinert damit die Möglichkeiten des PTP. Je nach Netzwerk-Topologie und Anwendung gilt es genau abzuwägen, welche Form der Synchronisation am sinnvollsten ist. Hardware-Zeitstempelung Die erreichbare Genauigkeit und ein kleinstmöglicher Jitter hängen von diversen Faktoren ab. Das 1588-Protokoll liefert nur die Basis, um Teilnehmer auf einen Master zu synchronisieren, darüber hinaus müssen Netzwerke und ihre Komponenten wie Router und Switches entsprechend ausgelegt werden. So wirken sich Switches negativ auf die Berechnung des Netzwerk-Delays aus. Hier können zum Beispiel anderer Nachrichten mit höherer Priorität oder Queues durch hohe Netzwerkauslastung große Verzögerungen verursachen. Während der Einfluss von Switches durch explizit auf die Anwendung abgestimmte Software-Filter reduzierbar ist, gilt es auch, zusätzliche Fehler und Jitter durch die eigene Hardware und Software präventiv zu vermeiden. Eine Synchronisation, die ausschließlich auf einer reinen Software-Lösung basiert,

4 Seite 4: IEEE 1588 liefert kein akkurates Ergebnis. Zum Beispiel kann sich der tatsächliche Fehler mit einem Protokoll-Stack für Windows Systeme im Mikro- bis Millisekunden- Bereich bewegen. Zudem unterliegt eine rein softwarebasierte Zeitstempelgenerierung verschiedenen anderen Einflüssen, wie zum Beispiel der Auslastung der CPU, der Echtzeitfähigkeit des verwendeten Betriebssystems und möglichen Unterbrechungen durch Interrupts. Der dadurch verursachte Jitter wirkt sich unmittelbar auf die Berechnung des Offsets und des Delays zum Master aus. Als Lösung sieht der 1588-Standard eine Zeitstempelung möglichst nahe am physikalischen Übertragungsmedium vor. Denn es geht grundsätzlich darum, der Nachricht vor dem Versand den Zeitstempel so spät wie möglich und nach dem Empfang so früh wie möglich aufzuprägen. Dafür wird ein Hardware- Assistent benötigt, der in das Netzwerk hinein horcht und für jede PTP-Event- Nachricht zu einem deterministischen Zeitpunkt einen passenden Zeitstempel generiert, welcher entweder direkt dem Datenrahmen angehängt oder über einen zusätzlichen Weg der 1588-Software mitgeteilt wird. Etwaige noch vorhandene, hardware-bedingte Verzögerungen wirken sich meist nur als statischer Offset aus, der mit dem eigentlichen Zeitstempel verrechnet werden kann, um den exakten Zeitpunkt beim Senden oder Empfangen zu bestimmen. Im Bereich der Ethernet-Protokolle wurde als Zeitstempelpunkt, auf den die Hardware triggern muss, der Start-Of-Frame Delimiter (SFD) des Datenrahmens bestimmt, auch wenn anschließend überprüft werden muss, ob es sich tatsächlich um eine Übertragung einer PTP Event Nachricht handelt. Mit einer hardwarebasierten Zeitstempelung und Implementierung einer nachregelbaren Echtzeituhr lässt sich auf dem Zoom PowerQUICC Development Kit mit MPC8360 von Freescale eine Synchronisationsgenauigkeit im Nanosekundenbereich erzielen, mit einer maximalen Abweichung von +/- 30 Nanosekunden und einer Standardabweichung von nur 8 Nanosekunden.

5 Seite 5: IEEE 1588 Bild 3: Synchronisationsverteilung einer Windows SW Timestamped Lösung (Back-2- Back mit MPC8360) Bild 4: Synchronisationsverteilung einer Linux SW Timestamped Lösung (Back-2-Back mit MPC8360)

6 Seite 6: IEEE 1588 Bild 5: Synchronisationsverteilung MPC8360 (Back-2-Back mit MPC8360) FPGA als flexible Lösung Die Möglichkeiten zur Realisierung eines Hardware-Assistenten sind vielfältig: Der STM32F107 und der STM32F207 von STMicroelectronics verfügen wie der MPC8360 von Freescale über eine 1588-Zeitstempelfunktionalität im Prozessor. Zeitstempel können aber auch beim Empfang und während des Sendens direkt im Transceiver generiert werden, wie es beim DP83640 von National Semiconductor, dem so genannten Phyter, der Fall ist. Hier liefert eine regelbare Uhr im PHY die Informationen über eine zusätzliche Schnittstelle zur Weiterverarbeitung an die CPU. Ebenso ist es denkbar, die 1588-Hardware direkt in den MAC zu integrieren. Da dieser Baustein ohnehin jedes Datenpaket auf die Zieladresse prüfen muss, kann er dabei ohne Verzögerung auch einen Zeitstempel nehmen. Die Wahl eines passenden Hardware-Assistenten hängt von der Anwendung und Zielplattform ab. Soll beispielsweise ein Switch mit der Anzahl von n Ports das 1588-Protokoll unterstützen, so gilt es, ein einheitliches System mit einer einzigen regelbaren Echtzeituhr zu schaffen. Diese wird auf den Grandmaster synchronisiert und liefert die Zeit für jede Ethernet- Schnittstelle dieser Netzwerk-Komponente. Würden auf dem Knoten nun mehrere unabhängige Hardware-Assistenten verwendet werden, jede mit einer eigenen Uhr, käme es zu Konflikten und eine genaue Synchronisation mit 1588 wäre über diese Ports nur schwer zu erreichen. Die einzelnen Ethernet- Schnittstellen müssten sich zusätzlich untereinander auf eine Zeitbasis die einzig durch 1588 geregelt wäre synchronisieren, was einen erhöhten Portierungsaufwand bedeuten würde. Eine FPGA IP bietet in jeder Hinsicht die flexibelste Lösung. Solche IPs parsen die Ethernet-Datenrahmen meist ebenfalls nahe dem physikalischem Medium, z. B. auf dem Media Independent Interface (MII), dem Datenbus zwischen ei-

7 Seite 7: IEEE 1588 nem MAC und PHY. Dadurch wird der Jitter nahezu eliminiert. Eine maximal konstante, daher berechenbare Latenz zwischen dem tatsächlichen Durchlauf einer PTP-Event-Nachricht durch den PHY und dem Zeitstempel-Punkt ist zu erwarten. Weitere Vorteile liegen dank jederzeit neu programmierbarer FPGAs auf der Hand: Derartige Lösungen sind zukunftsorientiert und können auch noch nach der Auslieferung um neue Features und Implementierungen erweitert werden. Eine IP für 1588 über UDP / IPv4 kann, ohne dass an der eigentlichen Hardware Änderungen vorgenommen werden müssen, mit weiteren Übertragungsprotokollen wie Layer 2 oder UDP über IPv6 erweitert werden. Auch kundenspezifische Lösungen für spezielle Anforderungen sind denkbar. Darüber hinaus sind viele FPGA IP-Lösungen hocheffizient und flexibel in ihrer Anwendung, wie z. B. die von IXXAT Automation realisierte Variante für Altera FPGAs. Diese in VHDL geschriebene IP verfügt über eine per Software regelbare Echtzeituhr nach der Definition des IEEE 1588-Standards und bietet eine variable Anzahl an Ethernet-Ports. Zeitstempel werden über eine gemeinsame Schnittstelle an die CPU, in diesem Fall dem Soft Core Embedded Prozessor Nios II, weitergereicht. Die interne Echtzeituhr wird durch einen unabhängigen Takt betrieben und kann je nach Leistungsklasse des verwendeten FPGAs in ihrer Granularität verbessert werden. Je höher die Frequenz ist, desto kleiner der einzelne Tick der Uhr und desto besser die Genauigkeit der Zeitstempelung und der Regelung. Auf Grundlage der 1588-Zeit bietet die IP zusätzliche I/O- Ports zur Zeitstempelgenerierung für externe Signale oder zur eventgetriggerten Generierung von Frequenzen und Steuersignalen. Damit können den Messdaten hochsynchronisierte Zeitstempel angehängt oder zeitlich getriggerte Signale ausgegeben werden. Zusätzlich ist ein 1588-Protokollstack verfügbar, der neben den Grundfunktionen des 1588-Standards auch die Implementierung von Transparent Clocks ermöglicht und das Telecom-Profile sowie das Power- Profile optional unterstützt.

8 Seite 8: IEEE 1588 Der Autor: Dipl.-Ing. Alexander Winkel ist bei IXXAT für das IEEE 1588 IP- Core-Projekt verantwortlich und gehört zum IEEE 1588-Entwickler-Team Dipl.-Ing. Alexander Winkel (IXXAT) Bilder: Bild 1: 1588_titelbild Bild 2: 1588_mechanismus Bild 3: bild_2_1588_windows Bild 4: bild_3_1588_linux Bild 5: bild_4_1588_mpc_8360 Zeichen: Dateiname: _fb_1588 Datum: XX.XX.XXXX Unternehmenshintergrund IXXAT Automation GmbH ist ein führender Anbieter von Produkten und Dienstleistungen rund um Datenkommunikationssysteme für die Automatisierungs- und Automobiltechnik. Die Technologieschwerpunkte im Bereich der industriellen Kommunikationssysteme sind Lösungen auf Basis von CAN (CANopen, DeviceNet), Ethernet (POWERLINK, EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT, Modbus TCP) sowie TCP/IP mit den zugehörigen Internet-Protokollen. Für automotive Anwendungen sind die Schwerpunkte Lösungen auf Basis von CAN (Diagnoseprotokolle, SAE J1939), FlexRay und LIN. Darüber hinaus verfügt IXXAT über die notwendige Erfahrung zur Entwicklung sicherheitsrelevanter Hardware und Software gemäß IEC Neben dem Entwurf von Systemlösungen sowie der Hardware- und Software-Entwicklung gehören die umfassende Begleitung bei der Einführung und Anwendung von CAN- und TCP/IP-basierten Kommunikationssystemen sowie Schulung und Beratung zu IXXATs Leistungsspektrum. Ein breites Produktangebot von Interfacekarten, Testsystemen, Analysewerkzeugen und Protokoll-Software rundet das Portfolio ab. Derzeit beschäftigt das Unternehmen 80 Mitarbeiter, überwiegend Elektronik- und Informatikingenieure. IXXAT verfügt über ein zertifiziertes Qualitätsmanagement nach ISO 9001.

9 Seite 9: IEEE 1588 Kontakt: IXXAT Automation GmbH Frank Pastors Leibnizstraße Weingarten gii die Presse-Agentur GmbH Immanuelkirchstraße Berlin Tel.: 0 30 / Fax: 0 30 / info@gii.de Internet: Tel.: / Fax: / info@ixxat.de Internet: