Zeitfragen lösen: Mit Ethersynch hält Micrel die Uhren im LAN synchron.Micrel
Das Precision Time Protocol PTP nach IEEE 1588v2 synchronisiert die Echtzeit-Uhren in einem lokalen Netzwerk. Es arbeitet sehr viel genauer als das bekannte Network Time Protocol NTP, arbeitet aber als Multicast-UDP/IP und funktioniert nur im LAN, nicht über Router-Grenzen hinweg. Die hohe Genauigkeit ist vor allem in der Automatisierung oder bei der Vernetzung im Auto nötig, wo Ethernet bisherige Bus-Lösungen zusehends ablöst.
PTP unterscheidet drei Partner: Die Boundary Clock (BC) dient als Master, der die Slaves in seinem Netz (Oridnary Clock, OC) mit Zeitinformationen versorgt. Welcher Knoten im Netz den Takt der anderen vorgibt, wird per BMC-Algorithmus (Best Master Clock) bestimmt. Mit Version 2 des IEE 1588 ist als Mittler noch die Transparent Clock (TC) hinzugekommen. TC sind entscheidend bei Netzwerktopologien, die viele Knoten hintereinander als Bus platzieren. Ohne TC müsste jeder Knoten als OC die Zeitinformationen empfangen und dann als BC für das nächste Netzsegment fungieren – klar, dass sich auf diese Weise Fehler in einem Strang addieren und die Knoten am Ende wesentlich ungenauer synchronisiert sind als die am Anfang.
Bei IEEE 1588v2 können Switches in einem Bus-Layout mit Transparent Clocks den Jitter senken.Micrel
Transparente Weiterleitung
Mit der Transparent Clock kann ein Switch die Timing-Daten zeitkorrigiert weiterleiten. Die statischen Laufzeiten zwischen Nachbarn ermittelt PTP mit eigenen Delay-Paketen, wobei die Transparent Clocks zusätzliche Pakettypen und Abläufe anwenden. Delays lassen sich somit gut kompensieren. Damit aber auch der Jitter klein bleibt, sollte der Switch die TC-Funktionalität in Hardware implementieren statt in Software.
Micrel bringt mit der KSZ84xx-Familie entsprechende Bausteine auf den Markt, die IEEE 1588v2 unterstützen und das PTP in Hardware abwickeln. In einem Test konnte Micrel ermitteln, dass die Bausteine auch in der Realität um eine Größenordnung besser sind, als der Standard vorgibt: IEEE 1588 fordert einen Jitter unter einer Mikrosekunde, die Micrel-Chips bleiben aber unter 100 ns. Dabei wurde die Worst-Case-Abweichung aller System-Clocks in einer synchronisierten Ethernet-Domain gemessen. Das IEEE-Protokoll hat an diesem Jitter nur eine Nanosekunde Anteil.
Der Gesamt-Jitter in einem verteilten Netz bleibt bei der KSZ84xx-Familie unter 100 ns.Micrel
Ethersynch für industrielle Netze
Die Ethersynch getaufte Technologie begründet bei Micrel eine komplette Plattform an Ethernet-Switch-Chips – die KSZ84xx-Familie. Im Package ist zudem ein General Purpose I/O enthalten. Die Chips eignen sich für zentralisierte, sternförmige Architekturen ebenso wie für verteilte mit mehreren hintereinandergeschalteten Switches, wie sie vor allem im industriellen Umfeld die Regel sind. Dabei sind sowohl lineare Busse (auch Daisy Chain genannt) wie auch Ring-Topologien möglich. Zu den Features gehören Source-Adressierung, TC-Korrekturen in einem Schritt sowie ein Bypass-Modus.
Zur KSZ84xx-Familie gehören derzeit drei Bausteine:
Über den dritten Port des Switches wird der Host angebunden. Alternativ steht auch ein PCI-Interface bereit.Micrel
- KSZ8463: Drei-Port-Switch mit MII/RMII-Interface (MAC-Interface)
- KSX8462: Zwei-Port-Switch mit einem generischen Host-Interface (PCI)
- KSX8441: Controller mit einem generischen Host-Interface
Micrel bietet auch einen vorqualifizierten Software-Stack an, der mit den KSZ84xx-Bausteinen kommuniziert – bei den Drei-Port-Varianten dient der dritte Anschluss zur Host-Anbindung.
Effizient und flexibel
Die Chips arbeiten besonders stromsparend – laut Micrel verbraucht das PHY allein 80% der Energie im Ethernet, daher lohnt sich die Optimierung an dieser Stelle besonders. Durch einen eingebauten GPIO können die Bausteine selbst mit 12 Events umgehen und beispielsweise Aktoren ansprechen und Sensoren anbinden, ohne den Host zu belasten.
Derzeit befindet sich die KSZ84xx-Familie im Sampling; mit Stückzahlen ist 2012 zu rechnen.
Achim Leitner
(lei)
