ZYNQ 系统的IEEE1588 实现方法

IEEE1588/PTP 协议是实时工业软件的一个重要的协议，本博文讨论该协议在Xilinx Zynq 系统·上如何实现IEEE1588 协议。

ZYNQ 系统的以太网

Zynq 系统中有两类Ethernet 接口，一种是PS 端的硬件千兆以太网，另一种是PL 实现的以太网接口。

PS 端以太网

zynq 中带有两个硬核千兆以太网MAC，ENET0，ENET1。与普通SOC 芯片不同，zynq PS 断地外设可以通过MIO连接到芯片的引脚上，也可以通过EMIO 接口连接到PL 端。连接到PL端后，带来了灵活性，可以转换成各种接口。比如设计一个交换机。定义端其它的引脚。

PS 端MIO 引出的以太网接口是RGMII接口，可以连接具有RGMII 的Phy 芯片。

PS 端的Ethernet 透过EMIO 连接各种接口（通过1000BASE-X/SGMII PCS/PMA IP）

PL 端以太网

PL 端的以太网是通过IP核实现的。vivado 中有下列几种以太网IP。

tri mode Ethernet MAC
AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem
100M/1G TSN Subsystem

其中

AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem 支持IEEE1588 ，但是只有在使用SGMII和SFP(small form factor pluggable)接口。并且带有GTX 功能的Zynq 芯片才支持IEEE1588。如此看来只能在光纤接口，或者SGMII接口上实现。网络上资料也不多。

小贴士

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GTX

GTX是一种就是G级速率以上的SERDES串行/解串器。Xilinx芯片里内嵌的串行/解串器GTX,GTH,GTP等模块。

7系列中，按支持的最高线速排序，GTP<GTX<GTH<GTZ。GTP被用于A7系列，GTZ被用于少数V7系列。从K7到V7，最常见的是GTX和GTH，GTH的最高线速比GTX稍微高一点点。

100M/1G TSN Subsystem 也支持IEEE1588 但是看上去也是比较复杂的样子。

SGMII

SGMII协议是CISCO公司提出来的，可以减少芯片间互联的管脚。传统的GMII前面说了是8bits数据线，此外还需要时钟，和一些控制线，双向加起来要20根线左右。而SGMII接口是1根数据线加1根时钟线，双向共4根。如果去掉时钟线（采用CDR），那么2根线就可以实现互联了。

SGMII本质上并没有对以太网协议的分层做改动，还是MAC层，PCS层和PMA层。原来GMII模式下，MAC层一般做在SOC侧，PHY层包括PCS+PMA做在另一个单独的芯片上。而SGMII的实施是将PCS层也同时放在了原来的MAC侧。这样SOC芯片和PHY芯片各有一个PCS层。

对于SOC发送来说，数据包有MAC层过来，经过tx 的pcs，从SGMII接口发送出去。在PHY芯片上，有一个rx的pcs先将SGMII的信号解出GMII信号，然后再经过传统的PHY层处理发送到介质上。对于SOC接收来说，则反过来。

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tri mode Ethernet MAC在100Mbps 时可以使用MAC 接口，可以通过一个MAC to RMII 的IP 转换成为RMII 接口。

IEEE1588/PTP实现方案

IEEE1588 的硬件实现的方法有两种：

在MAC控制器中实现
在Phy 芯片中实现，比较常见的有TI 公司的DP83640 芯片

ZYNQ 中实现IEEE1588 协议的方式

笔者做了一些厂商，在PL 端使用现成的IP 支持1588 似乎只有1g/2.5g ethernet subsystem 这一种。但是它只有在带有GT 传输的zynq 中使用，而且并没有多少成功的参考。

基于本人的经验，使用带有IEEE1588 /PTP 功能的PHY 芯片实现,比较简单。

使用DP83640

使用DP83640 实现IEEE1588 协议相对比较简单。主要的问题是要通过RMII接口与DP83640 相连接。

使用rtl8211fs-vs-cg

realtek 公司的rtl8211fs-vs-cg 支持IEEE1588.注意：一定要带有vs 后缀的才支持IEEE1588/PTP.

使用高通atheros AR8031 芯片

Linux 下访问mdio 的方法

测试程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <linux/mii.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <net/if.h>
#include <linux/sockios.h>
#include <linux/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>//#include <QDebug>int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd;struct mii_ioctl_data *mii = NULL;struct ifreq ifr;memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ - 1);sockfd = socket(PF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0);ioctl(sockfd, SIOCGMIIPHY, &ifr);mii = (struct mii_ioctl_data*)&ifr.ifr_data;if(argc == 4){strncpy(ifr.ifr_name, argv[1], IFNAMSIZ - 1);sockfd = socket(PF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0);ioctl(sockfd, SIOCGMIIPHY, &ifr);mii = (struct mii_ioctl_data*)&ifr.ifr_data;mii->phy_id    = (uint16_t)strtoul(argv[2], NULL, 0);mii->reg_num    = (uint16_t)strtoul(argv[3], NULL, 0);ioctl(sockfd, SIOCGMIIREG, &ifr);printf("read --- value : 0x%x\n", mii->val_out);}else if(argc == 5){strncpy(ifr.ifr_name, argv[1], IFNAMSIZ - 1);sockfd = socket(PF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0);ioctl(sockfd, SIOCGMIIPHY, &ifr);mii = (struct mii_ioctl_data*)&ifr.ifr_data;mii->phy_id    = (uint16_t)strtoul(argv[2], NULL, 0);mii->reg_num    = (uint16_t)strtoul(argv[3], NULL, 0);mii->val_in     = (uint16_t)strtoul(argv[4], NULL, 0);ioctl(sockfd, SIOCSMIIREG, &ifr);}else{printf("mdio ethX phyId addr value\n");}close(sockfd);return 0;
}

我是在Z7 nano开发板的pynq 操作系统下调试通过的。

使用AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem

只有在使用SGMII和FDP接口。并且带有GTX 功能的Zynq 芯片才支持IEEE1588。

结束语

笔者更倾向使用带有IEEE1588/PTP 的PHY 芯片实现zynq 的IEEE1588