PTP 对时协议 IEEE1588 网络对时 硬件基础

前言

在很多应用场景有精确对时的需求，例如车载网络，音视频流，工业网络。本文档将会阐述对时的硬件需求，网卡硬件以 Synopsys DesignWare Cores Ethernet MAC QoS 为例来展开说明。

协议

流行的协议为 IEEE1588 标准指定的对时方法，名为 PTP 对时协议。

网卡硬件要求

找到 DW qos 网卡的特性描述：Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, Standard 1588-2008, IEEE

网卡相关寄存器

  • MAC_Timestamp_Control
  • MAC_Sub_Second_Increment
  • MAC_System_Time_Seconds
  • MAC_System_Time_Nanoseconds
  • MAC_System_Time_Seconds_Update
  • MAC_System_Time_Nanoseconds_Update
  • MAC_Timestamp_Addend
  • MAC_System_Time_Higher_Word_Seconds
  • Timestamp Status register

MAC_Sub_Second_Increment 用于设置系统亚秒增加

Timestamp Addend register的值会被用于微调系统时间，在Fine Update模式下，系统会根据这个值以微小的步长来更新时间。这样可以实现对系统时间的精细调整，以满足精确时间同步的需求。

MAC_System_Time_Nanoseconds + MAC_System_Time_Seconds 从这2个寄存器读出时间

MAC_System_Time_Nanoseconds_Update + MAC_System_Time_Seconds_Update 写入这2个寄存器配置时间

配置代码

tstamp 的初始化代码

配置了 MAC_Sub_Second_Increment 和 Timestamp Addend register

/*** stmmac_init_tstamp_counter - init hardware timestamping counter* @priv: driver private structure* @systime_flags: timestamping flags* Description:* Initialize hardware counter for packet timestamping.* This is valid as long as the interface is open and not suspended.* Will be rerun after resuming from suspend, case in which the timestamping* flags updated by stmmac_hwtstamp_set() also need to be restored.*/
int stmmac_init_tstamp_counter(struct stmmac_priv *priv, u32 systime_flags)
{bool xmac = priv->plat->has_gmac4 || priv->plat->has_xgmac;struct timespec64 now;u32 sec_inc = 0;u64 temp = 0;int ret;if (!(priv->dma_cap.time_stamp || priv->dma_cap.atime_stamp))return -EOPNOTSUPP;ret = clk_prepare_enable(priv->plat->clk_ptp_ref);if (ret < 0) {netdev_warn(priv->dev,"failed to enable PTP reference clock: %pe\n",ERR_PTR(ret));return ret;}stmmac_config_hw_tstamping(priv, priv->ptpaddr, systime_flags);priv->systime_flags = systime_flags;/* program Sub Second Increment reg */// 配置 MAC_Sub_Second_Increment stmmac_config_sub_second_increment(priv, priv->ptpaddr,priv->plat->clk_ptp_rate,xmac, &sec_inc);temp = div_u64(1000000000ULL, sec_inc);/* Store sub second increment for later use */priv->sub_second_inc = sec_inc;//配置 Timestamp Addend register/* calculate default added value:* formula is :* addend = (2^32)/freq_div_ratio;* where, freq_div_ratio = 1e9ns/sec_inc*/temp = (u64)(temp << 32);priv->default_addend = div_u64(temp, priv->plat->clk_ptp_rate);stmmac_config_addend(priv, priv->ptpaddr, priv->default_addend);/* initialize system time */#ifdef CONFIG_SEMIDRIVE_TIME_SYNCnow.tv_sec = 0;now.tv_nsec = 0;#elsektime_get_real_ts64(&now);#endif/* lower 32 bits of tv_sec are safe until y2106 */stmmac_init_systime(priv, priv->ptpaddr, (u32)now.tv_sec, now.tv_nsec);return 0;
}
更新时间的代码
#include "stmmac.h"
#include "stmmac_ptp.h"/*** stmmac_adjust_freq** @ptp: pointer to ptp_clock_info structure* @ppb: desired period change in parts ber billion** Description: this function will adjust the frequency of hardware clock.*/
static int stmmac_adjust_freq(struct ptp_clock_info *ptp, s32 ppb)
{struct stmmac_priv *priv =container_of(ptp, struct stmmac_priv, ptp_clock_ops);unsigned long flags;u32 diff, addend;int neg_adj = 0;u64 adj;if (ppb < 0) {neg_adj = 1;ppb = -ppb;}addend = priv->default_addend;adj = addend;adj *= ppb;diff = div_u64(adj, 1000000000ULL);addend = neg_adj ? (addend - diff) : (addend + diff);spin_lock_irqsave(&priv->ptp_lock, flags);stmmac_config_addend(priv, priv->ptpaddr, addend);spin_unlock_irqrestore(&priv->ptp_lock, flags);return 0;
}/*** stmmac_adjust_time** @ptp: pointer to ptp_clock_info structure* @delta: desired change in nanoseconds** Description: this function will shift/adjust the hardware clock time.*/
static int stmmac_adjust_time(struct ptp_clock_info *ptp, s64 delta)
{struct stmmac_priv *priv =container_of(ptp, struct stmmac_priv, ptp_clock_ops);unsigned long flags;u32 sec, nsec;u32 quotient, reminder;int neg_adj = 0;bool xmac;xmac = priv->plat->has_gmac4 || priv->plat->has_xgmac;if (delta < 0) {neg_adj = 1;delta = -delta;}quotient = div_u64_rem(delta, 1000000000ULL, &reminder);sec = quotient;nsec = reminder;spin_lock_irqsave(&priv->ptp_lock, flags);stmmac_adjust_systime(priv, priv->ptpaddr, sec, nsec, neg_adj, xmac);spin_unlock_irqrestore(&priv->ptp_lock, flags);return 0;
}/*** stmmac_get_time** @ptp: pointer to ptp_clock_info structure* @ts: pointer to hold time/result** Description: this function will read the current time from the* hardware clock and store it in @ts.*/
static int stmmac_get_time(struct ptp_clock_info *ptp, struct timespec64 *ts)
{struct stmmac_priv *priv =container_of(ptp, struct stmmac_priv, ptp_clock_ops);unsigned long flags;u64 ns = 0;spin_lock_irqsave(&priv->ptp_lock, flags);stmmac_get_systime(priv, priv->ptpaddr, &ns);spin_unlock_irqrestore(&priv->ptp_lock, flags);*ts = ns_to_timespec64(ns);return 0;
}/*** stmmac_set_time** @ptp: pointer to ptp_clock_info structure* @ts: time value to set** Description: this function will set the current time on the* hardware clock.*/
static int stmmac_set_time(struct ptp_clock_info *ptp,const struct timespec64 *ts)
{struct stmmac_priv *priv =container_of(ptp, struct stmmac_priv, ptp_clock_ops);unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&priv->ptp_lock, flags);stmmac_init_systime(priv, priv->ptpaddr, ts->tv_sec, ts->tv_nsec);spin_unlock_irqrestore(&priv->ptp_lock, flags);return 0;
}static int stmmac_enable(struct ptp_clock_info *ptp,struct ptp_clock_request *rq, int on)
{struct stmmac_priv *priv =container_of(ptp, struct stmmac_priv, ptp_clock_ops);struct stmmac_pps_cfg *cfg;int ret = -EOPNOTSUPP;unsigned long flags;switch (rq->type) {case PTP_CLK_REQ_PEROUT:/* Reject requests with unsupported flags */if (rq->perout.flags)return -EOPNOTSUPP;cfg = &priv->pps[rq->perout.index];cfg->start.tv_sec = rq->perout.start.sec;cfg->start.tv_nsec = rq->perout.start.nsec;cfg->period.tv_sec = rq->perout.period.sec;cfg->period.tv_nsec = rq->perout.period.nsec;spin_lock_irqsave(&priv->ptp_lock, flags);ret = stmmac_flex_pps_config(priv, priv->ioaddr,rq->perout.index, cfg, on,priv->sub_second_inc,priv->systime_flags);spin_unlock_irqrestore(&priv->ptp_lock, flags);break;default:break;}return ret;
}

时间使用

上面配置了网卡相关的硬件时间寄存器，那么网卡具有了硬件计时的能力了，在 PTP 对时中如何使用这个能力呢？

发送报文时间

如何获得报文从网卡发送的精确时间？很容易想到的办法就是在触发网卡DMA发送的时刻马上读上面提到的时间寄存器。这种方法可能引入几个问题：若是这个连续操作被中断打断了怎么办？若是网卡队列里还有其他没有发送的其他包，软件触发了DMA发送，但是硬件并没有及时发送出去怎么办？
实际解决办法是：由网卡的硬件实现的，网卡在把网络包发送出去的同时，往指定的内存里保存发送的时间数据，这个指定的内存就是发送描述符。
在这里插入图片描述
代码里这样读取

static inline void dwmac4_get_timestamp(void *desc, u32 ats, u64 *ts)
{struct dma_desc *p = (struct dma_desc *)desc;u64 ns;ns = le32_to_cpu(p->des0);  // 读描述符/* convert high/sec time stamp value to nanosecond */ns += le32_to_cpu(p->des1) * 1000000000ULL;*ts = ns;
}/* stmmac_get_tx_hwtstamp - get HW TX timestamps* @priv: driver private structure* @p : descriptor pointer* @skb : the socket buffer* Description :* This function will read timestamp from the descriptor & pass it to stack.* and also perform some sanity checks.*/
static void stmmac_get_tx_hwtstamp(struct stmmac_priv *priv,struct dma_desc *p, struct sk_buff *skb)
{struct skb_shared_hwtstamps shhwtstamp;bool found = false;u64 ns = 0;if (!priv->hwts_tx_en)return;/* exit if skb doesn't support hw tstamp */if (likely(!skb || !(skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_IN_PROGRESS)))return;/* check tx tstamp status */if (stmmac_get_tx_timestamp_status(priv, p)) {stmmac_get_timestamp(priv, p, priv->adv_ts, &ns);found = true;} else if (!stmmac_get_mac_tx_timestamp(priv, priv->hw, &ns)) {found = true;}if (found) {memset(&shhwtstamp, 0, sizeof(struct skb_shared_hwtstamps));shhwtstamp.hwtstamp = ns_to_ktime(ns);netdev_dbg(priv->dev, "get valid TX hw timestamp %llu\n", ns);/* pass tstamp to stack */skb_tstamp_tx(skb, &shhwtstamp); // 保存到协议栈里}
}/*** stmmac_tx_clean - to manage th* e transmission completion* @priv: driver private structure* @budget: napi budget limiting this functions packet handling* @queue: TX queue index* Description: it reclaims the transmit resources after transmission completes.*/
static int stmmac_tx_clean(struct stmmac_priv *priv, int budget, u32 queue)
{struct stmmac_tx_queue *tx_q = &priv->tx_queue[queue];unsigned int bytes_compl = 0, pkts_compl = 0;unsigned int entry, count = 0;省略部分代码/* Make sure descriptor fields are read after reading* the own bit.*/dma_rmb();/* Just consider the last segment and ...*/if (likely(!(status & tx_not_ls))) {/* ... verify the status error condition */if (unlikely(status & tx_err)) {priv->dev->stats.tx_errors++;} else {priv->dev->stats.tx_packets++;priv->xstats.tx_pkt_n++;}stmmac_get_tx_hwtstamp(priv, p, skb); // 获取时间戳}

接收报文时间

与发送的类似，也是保存在描述符里，不赘述。

总结

至此，由网卡硬件实现的硬件精确时间对时的基础已经分析完毕。主要精髓是网卡会自动保存发送和接收的时间到描述符里，这个时刻及其精确，不受代码运行抖动的影响。

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