賽靈思 Versal:單芯片內(nèi)的精準(zhǔn)同步
發(fā)布時間:2021-08-03 來源:Paolo Novellini,賽靈思首席工程師 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】從金融、電信、工業(yè)、消費(fèi)到航空航天與國防以及汽車,如今,“同步”這個概念,在所有行業(yè)無處不在。眾多應(yīng)用完全離不開同步;本文將探討其中的部分應(yīng)用并根據(jù)這些示例來分享同步這個概念。
此外,本文的第二部分將研討同步的兩個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo):精度與準(zhǔn)確性和集成。 從這兩個指標(biāo)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(dú)到的視角理解這種改變游戲規(guī)則的革命性的可編程、自適應(yīng)平臺。
無處不在的同步
沒有同步,眾多應(yīng)用根本不可能存在。為什么這么說呢?本段將使用兩個具有代表性的示例來支持這個論斷。
在本文中,術(shù)語時鐘 (clock)、時間、鐘表時間 (TOD) 同義。
具體而言,對于同步,時鐘 (clock) 并非周期性的波形(圖 1)。
圖 1 - 在同步情景下定義時鐘。
在我們的日常生活中(例 1),我們經(jīng)常說“明天下午 2點(diǎn)見面”。這個簡單陳述包含眾多關(guān)于同步的假設(shè):
● 它假定受邀與會的人有同樣的時間觀念。如果您身處中歐,這句話假定雙方都使用 UTC +1[1]
● UTC時間由位于倫敦的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室維護(hù),也是世界常規(guī)使用的時間。我們的手機(jī)運(yùn)行 UTC 時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(jì)算機(jī)也進(jìn)行相同的操作[2]。
簡單的一句陳述“我們在下午2 點(diǎn)見”,假定其背后存在復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施,而我們下意識地參考它。
例2 中考慮了一個“顯著”不同的情況:通過 GNSS 進(jìn)行地理定位[3]。
手機(jī)接收來自多個不同衛(wèi)星的時間(就是時鐘),每個衛(wèi)星在同一時間發(fā)送一個。手機(jī)并非與所有衛(wèi)星距離相等,因此可以測量由不同源發(fā)送的時鐘之間的相位差。如果衛(wèi)星位置先天已知,GNSS接收器就很容易地重新計(jì)算自己的位置。
上面這兩個示例有眾多相似性:受邀參會的雙方有相同的時間觀念,就如例 2 中的衛(wèi)星。此外,雙方和衛(wèi)星都保持他們/它們參考的公共時間的副本。他們/它們并非直接共享同一個時間源,因?yàn)樗麄?它們在地理位置上彼此遠(yuǎn)離。
同步是讓本地時鐘副本(從時間)與公共參考(主時間)隨時間推移保持一致的技術(shù)。這就是我們在尋找的定義。
在上面兩個示例中,任何同步誤差都會影響最終應(yīng)用的性能。在第一個示例中,如果受邀人自己的時鐘慢了(舉例),他在會面時就會遲到。
在第二個示例中,如果衛(wèi)星的本地時鐘副本有誤差,那么 GNSS 接收器將計(jì)算出錯誤的位置。
雖然兩種應(yīng)用有眾多相似性,但二者之間存在根本的區(qū)別,即應(yīng)用要求的準(zhǔn)確性不同。在第一個示例中,如果時鐘慢了 1 秒,沒有人會抱怨,因?yàn)檠诱` 1 秒對會議而言一般可以容忍。而對于 GNSS 接收器,誤差 1 秒將導(dǎo)致計(jì)算出錯誤的位置,直接讓應(yīng)用不具備使用價值。
這就告訴我們,雖然這兩種應(yīng)用依靠相同的技術(shù)(同步),但驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)完全不同。事實(shí)上,驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)只與應(yīng)用有關(guān)。雖然準(zhǔn)確性是最重要的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之一,但絕非唯一的標(biāo)準(zhǔn)。安全性、可用性、精度、集成度等都是其他的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)示例。
在我們繼續(xù)研討之前,有必要簡要介紹一下 UTC的背景。UTC使用原子鐘確保時間單位秒得到正確地定義。可以將地球自轉(zhuǎn)作為一種時間基準(zhǔn),但令人遺憾的是,它的準(zhǔn)確度欠佳,因?yàn)樗鹉臧l(fā)生數(shù)秒的變化。在經(jīng)歷長時間以后,累積的誤差有可能導(dǎo)致 UTC 完全與地球時間不同步。例如在多年后,本該是中午,但 UTC時間是夜晚。為了解決這種潛在的長期失準(zhǔn)問題,倫敦計(jì)量實(shí)驗(yàn)室通過選擇性地定期增減1 秒,對 UTC進(jìn)行補(bǔ)償。這一般在每年的 6 月末和 12月末進(jìn)行。這些校正被稱作閏秒[4]。
全球定位系統(tǒng) (GPS) 分配的時間使用與 UTC 相同的秒定義,但沒有采用閏秒。因此在 2021 年年初,GPS 時間和 UTC 時間相差 18秒。這個數(shù)字在未來還會改變。
作為用戶,我們不必?fù)?dān)心這些校正。我們的手機(jī)和計(jì)算機(jī)將在后臺同步到 UTC,即便存在閏秒,也能保持一致。
為在無數(shù)據(jù)覆蓋的時間和地點(diǎn)傳播 UTC,UTC 時間也通過德國 DCF77 電臺用長波傳播[5]。
您也許會覺得相當(dāng)意外,但原子鐘的精度遠(yuǎn)優(yōu)于地球自轉(zhuǎn)。
Versal中的同步指標(biāo)
同步這一術(shù)語代表的是通用技術(shù),而驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)則與應(yīng)用嚴(yán)格相關(guān)。在下文中,我將著重介紹 Versal 自適應(yīng)計(jì)算加速平臺 (ACAP) 的兩個具體指標(biāo):
● 準(zhǔn)確性和精度。
● 集成:應(yīng)用的范圍一般遠(yuǎn)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在這兩個指標(biāo)上都表現(xiàn)優(yōu)異,我將具體解釋其原因。
準(zhǔn)確性與精度
讀者可能想知道的第一個問題是:準(zhǔn)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(zhǔn)確性有不同的意義且彼此獨(dú)立。我們現(xiàn)在具體了解。
如果重復(fù)測量同一對象得到的結(jié)果彼此相近(即使不正確),那么這個測量系統(tǒng)屬于“高精度”。
如果重復(fù)測量同一對象得到的結(jié)果的平均值正確,這個測量系統(tǒng)屬于“高準(zhǔn)確性”。
為更深入地理解上述定義,讀者應(yīng)考慮圖 2。在該系統(tǒng)中,對象(紅點(diǎn))的位置在二維空間內(nèi),而且我們想要測量它的位置。
我有兩個儀器(藍(lán)色和綠色),能測量對象的位置。五個藍(lán)點(diǎn)是藍(lán)色儀器完成的測量。五個綠點(diǎn)是綠色儀器完成的測量。
圖 2 - 精度與準(zhǔn)確性對比。
根據(jù)上述定義,綠色儀器比藍(lán)色儀器更準(zhǔn)確,藍(lán)色儀器比綠色儀器更精確。現(xiàn)在很容易理解準(zhǔn)確性和精度是彼此獨(dú)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(zhǔn)確,或者是既精確又準(zhǔn)確。
換言之,我們可以看到,只要測量系統(tǒng)是準(zhǔn)確的,求平均值就是提高我們對這個對象的位置的認(rèn)知的良好途徑。
如果測量系統(tǒng)不準(zhǔn)確,校準(zhǔn)是我們可以考慮的唯一解決方案。
導(dǎo)致時鐘的本地時鐘副本不準(zhǔn)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 的時延在每次啟動時會發(fā)生改變
● 收發(fā)器FIFO 存在 PVT 相關(guān)時延[6]
上述兩個因素需要分開考慮,因?yàn)樗鼈儗?zhǔn)確性產(chǎn)生影響的方式不同。
第一個因素直接影響準(zhǔn)確性:如果接收器和發(fā)送器在啟動時時延不同,IEEE1588 機(jī)制將無法檢測出這種不同。任何失衡都會直接地影響準(zhǔn)確性。甚至求平均值也不能緩解。對于圖 3 所示的這個案例,讀者會注意兩個測量值集存在偏向。
令人驚奇的是,第二個因素對準(zhǔn)確性沒有影響。事實(shí)上,因環(huán)境條件(電壓和溫度)造成的時延變化將同時適用于接收器和發(fā)送器,并且 IEEE1588 機(jī)制將予以抵消。在我們繼續(xù)進(jìn)行研討前,我認(rèn)為我們應(yīng)該更詳細(xì)地考慮一下上面這個論述。
這是否暗示時間傳遞只在啟動后進(jìn)行一次?答案是否。
如果我們只校準(zhǔn)一次,盡管 RX 和 TX 之間存在對稱性,但時延的改變?nèi)詴饛臅r鐘誤差,而且這個誤差將隨著溫度/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(nèi)容:影響因素 1 要求我們在啟動時分別了解 RX 和 TX 的時延。影響因素 2 要求我們隨時間推移,用足夠快的速度再同步從時鐘。
Versal 收發(fā)器提供不同的替代方法來測量并控制時延,既在啟動時也在運(yùn)行中,這些方法可分為下列兩種類型:
圖 3 - 啟動間的時延變化。
● 緩沖器旁路。
● FIFO 時延測量。
緩沖器旁路允許在 RX 和 TX 方向繞過 FIFO,通過建立精密的時鐘方案,可處理跨時鐘域的數(shù)據(jù),且避免時序誤差[7]、[8][i]。毋庸贅述,緩沖器旁路的時延最小。雖然這種“副作用”可能對同步應(yīng)用無關(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。
緩沖器旁路能通過將收發(fā)器時延設(shè)定成固定值來解決問題,而另一類值得重視的方法是將重點(diǎn)放在時延測量本身。如果任何給定時間點(diǎn)的時延已知,則可以方便地重新用于以數(shù)學(xué)方式校正鐘表時間 (TOD) 值。
這種方法對同步應(yīng)用很有意義,因?yàn)樗槐匦薷?IP 本身的時鐘架構(gòu),就能為所有 IP(首先是以太網(wǎng))提供自然的升級路徑。
精度同時通過兩類方法實(shí)現(xiàn),因?yàn)榫热Q于:
● 收發(fā)器內(nèi)置的硬編碼模擬相位檢測器以及
● 用戶控制的模擬相位內(nèi)插器。用戶可以用皮秒范圍的增量輕松實(shí)現(xiàn)時鐘相位的步進(jìn)或步退。
雖然這看似值得關(guān)注,但其準(zhǔn)確性如何?失準(zhǔn)的典型原因是啟動之間的時延變化,這是分頻器在重置后的隨機(jī)相位造成的。
Versal 能夠在啟動時測量或設(shè)置時延。這個初始校準(zhǔn)階段有助于確保已去除收發(fā)器中的所有失準(zhǔn)源。
正如我們之前提到的,運(yùn)行中發(fā)生的時延改變對 RX 和 TX 是對稱的,可通過 PTP 機(jī)制本身予以補(bǔ)償。我認(rèn)為對這個最后的論述有必要詳細(xì)闡述。如果 PTP 能夠補(bǔ)償這種類型的時延改變,那么隨時間推移時延測量的優(yōu)勢是什么?
很多情況下,時延的改變在 RX 和 TX 之間并不對稱。讀者可以考慮固有的非對稱協(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(shè)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,將導(dǎo)致 RX 和 TX 之間的時延會隨時間的推移而演進(jìn)發(fā)展,從而導(dǎo)致失準(zhǔn)。
上面的示例,只是用來支持 RX 和 TX 之間的時延并非總是一起變化的觀點(diǎn)。
雖然很多平臺都能正確地實(shí)現(xiàn) PTP 協(xié)議,但 Versal 平臺便于您在工作中運(yùn)用自己的專業(yè)知識和思路,打贏這場準(zhǔn)確性之戰(zhàn)。這是一款助力您將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。
從納秒級的典型架構(gòu)時鐘,到 Versal 內(nèi)硬編碼的模擬相位內(nèi)插器提供的皮秒級時鐘,Versal ACAP 在收發(fā)器時延控制和時延測量方面,堪稱變革者。
單芯片系統(tǒng)
在之前的部分中,我們已經(jīng)了解到 Versal 為何在準(zhǔn)確性和精度上表現(xiàn)優(yōu)異,以及開發(fā)同步應(yīng)用時的關(guān)鍵因素。
我希望讀者現(xiàn)在把重點(diǎn)放在“同步應(yīng)用”的含義上:任何運(yùn)用這項(xiàng)功能在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳遞 TOD 的應(yīng)用都屬于這個類別。毋庸贅述,這嚴(yán)重取決于具體用戶。一般情況下,這需要配備帶有專有軟件、計(jì)算邏輯和各種接口的處理器。大多數(shù)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(yīng)計(jì)算應(yīng)用平臺 (ACAP),前文提及的所有構(gòu)建塊都在單芯片上集成在同一封裝內(nèi)。
系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計(jì)師將能夠運(yùn)用自己的專業(yè)知識,在單顆器件上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用。這是落實(shí)您的構(gòu)想的最便捷、最快速的途徑。
這只是關(guān)于Versal ACAP 的一個不同視角:在單芯片上運(yùn)行并準(zhǔn)確同步完整應(yīng)用。
結(jié)論
本文從兩個角度介紹了同一個具有革命性意義的 Versal 平臺:一個角度從宏觀上了解了運(yùn)行著配有線接口和無線接口的定制可編程引擎的完整應(yīng)用。
另一個角度在微觀上揭示出每種接口如何為極準(zhǔn)確的時間傳播提供支持。
處于 Versal 平臺的核心的,是構(gòu)建您自己的應(yīng)用所需的可編程邏輯。
在單顆器件上準(zhǔn)確同步完整應(yīng)用。
作者簡介
Paolo 是賽靈思首席工程師,負(fù)責(zé)為歐洲、中東和非洲的戰(zhàn)略客戶提供技術(shù)支持。他的主要研究領(lǐng)域包括猝發(fā)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路、網(wǎng)絡(luò)時序同步、超采樣技術(shù)和低時延傳輸架構(gòu)。他是國際時間與同步論壇 (ITSF) 指導(dǎo)委員會委員。
Paolo 從米蘭理工大學(xué)微電子專業(yè)獲得碩士學(xué)位,持有 19 項(xiàng)已授權(quán)專利。
[1]協(xié)調(diào)通用時間 (UTC)。UTC基于世界各地多部原子鐘的平均值。
[2]通過使用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (NTP)
[3]全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。最為人熟知的GNSS 示例是美國擁有的GPS。此外,現(xiàn)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),這只是其中幾個最出名的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。我們手機(jī)中的所有現(xiàn)代化 GNSS 接收器都能使用多個 GNSS 系統(tǒng),以提高運(yùn)行精度。
[4]進(jìn)一步了解可參閱https://en.wikipedia.org/wiki/Leap_second。該網(wǎng)頁不僅提供了自 1972 年以來采用的全部閏秒,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(gòu) 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《賽靈思:實(shí)現(xiàn) PTP 準(zhǔn)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?jiān)L問:https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_optical_network
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