作者：Paolo Novellini，赛灵思首席工程师
从金融、电信、工业、消费到航空航天与国防以及轿车，现在，“同步”这个概念，在一切职业无处不在。
许多运用彻底离不开同步；本文将讨论其间的部分运用并依据这些示例来同享同步这个概念。
此外，本文的第二部分将研讨同步的两个要害技能目标：精度与精确性和集成。 从这两个目标动身，我将介绍Versal™ 系列之所以成为抱负同步渠道的特定功用，协助读者以全新、独特的视角了解这种改动游戏规则的革命性的可编程、自适应渠道。
无处不在的同步
没有同步，许多运用底子不或许存在。为什么这么说呢？本段将运用两个具有代表性的示例来支撑这个定论。
在本文中，术语时钟 （clock）、时刻、挂钟时刻 （TOD） 同义。
详细而言，关于同步，时钟 （clock） 并非周期性的波形（图 1）。
图 1 – 在同步情形下界说时钟。
在咱们的日常日子中（例 1），咱们经常说“明日下午 2点碰头”。这个简略陈说包含许多关于同步的假定：
-它假定受邀与会的人有相同的时刻观念。假如您身处中欧，这句话假定两边都运用 UTC +1［1］
-UTC时刻由坐落伦敦的计量实验室保护，也是世界惯例运用的时刻。咱们的手机运转 UTC 时刻的副本并定时在后台与 UTC 同步，保证二者坚持同步。咱们的核算机也进行相同的操作［2］。
简略的一句陈说“咱们鄙人午2 点见”，假定其背面存在杂乱的基础设施，而咱们下意识地参看它。
例2 中考虑了一个“明显”不同的状况：经过 GNSS 进行地舆定位［3］。
手机接纳来自多个不同卫星的时刻（便是时钟），每个卫星在同一时刻发送一个。手机并非与一切卫星间隔持平，因而可以丈量由不同源发送的时钟之间的相位差。假如卫星方位先天已知，GNSS接纳器就很简单地从头核算自己的方位。
上面这两个示例有许多相似性：受邀参会的两边有相同的时刻观念，就如例 2 中的卫星。此外，两边和卫星都坚持他们/它们参看的公共时刻的副本。他们/它们并非直接同享同一个时刻源，由于他们/它们在地舆方位上互相远离。
同步是让本地时钟副本（从时刻）与公共参看（主时刻）随时刻推移坚持一致的技能。这便是咱们在寻觅的界说。
在上面两个示例中，任何同步差错都会影响终究运用的功用。在第一个示例中，假如受邀人自己的时钟慢了（举例），他在会晤时就会迟到。
在第二个示例中，假如卫星的本地时钟副本有差错，那么 GNSS 接纳器将核算出过错的方位。
尽管两种运用有许多相似性，但二者之间存在底子的差异，即运用要求的精确性不同。在第一个示例中，假如时钟慢了 1 秒，没有人会诉苦，由于延误 1 秒对会议而言一般可以忍受。而关于 GNSS 接纳器，差错 1 秒将导致核算出过错的方位，直接让运用不具备运用价值。
这就告知咱们，尽管这两种运用依托相同的技能（同步），但检验规范彻底不同。事实上，检验规范只与运用有关。尽管精确性是最重要的检验规范之一，但绝非仅有的规范。安全性、可用性、精度、集成度等都是其他的检验规范示例。
在咱们持续研讨之前，有必要扼要介绍一下 UTC的布景。UTC运用原子钟保证时刻单位秒得到正确地界说。可以将地球自转作为一种时刻基准，但令人遗憾的是，它的精确度欠佳，由于它逐年产生数秒的改动。在阅历长时刻今后，累积的差错有或许导致 UTC 彻底与地球时刻不同步。例如在多年后，本该是正午，但 UTC时刻是夜晚。为了处理这种潜在的长时刻失准问题，伦敦计量实验室经过挑选性地定时增减1 秒，对 UTC进行补偿。这一般在每年的 6 月末和 12月末进行。这些校对被称作闰秒［4］。
全球定位体系 （GPS） 分配的时刻运用与 UTC 相同的秒界说，但没有选用闰秒。因而在 2021 年年头，GPS 时刻和 UTC 时刻相差 18秒。这个数字在未来还会改动。
作为用户，咱们不用忧虑这些校对。咱们的手机和核算机将在后台同步到 UTC，即便存在闰秒，也能坚持一致。
为在无数据掩盖的时刻和地址传达 UTC，UTC 时刻也经过德国 DCF77 电台用长波传达［5］。
您或许会觉得适当意外，但原子钟的精度远优于地球自转。
Versal中的同步目标
同步这一术语代表的是通用技能，而检验规范则与运用严厉相关。鄙人文中，我将侧重介绍 Versal 自适应核算加快渠道 （ACAP） 的两个详细目标：
-精确性和精度。
-集成：运用的规模一般远不止于同步。挑选集成所需的一切软件块和硬件块的渠道是正确的做法。
Versal在这两个目标上都体现优异，我将详细解说其原因。
精确性与精度
读者或许想知道的第一个问题是：精确性和精度，它们是不是一回事？
站在丈量理论的视点，精度和精确性有不同的含义且互相独立。咱们现在详细了解。
假如重复丈量同一目标得到的成果互相附近（即便不正确），那么这个丈量体系归于“高精度”。
假如重复丈量同一目标得到的成果的平均值正确，这个丈量体系归于“高精确性”。
为更深化地了解上述界说，读者应考虑图 2。在该体系中，目标（红点）的方位在二维空间内，并且咱们想要丈量它的方位。
我有两个仪器（蓝色和绿色），能丈量目标的方位。五个蓝点是蓝色仪器完结的丈量。五个绿点是绿色仪器完结的丈量。
图 2 – 精度与精确性比照。
依据上述界说，绿色仪器比蓝色仪器更精确，蓝色仪器比绿色仪器更精确。现在很简单了解精确性和精度是互相独立的概念。读者可以轻松地生成各种丈量值集，可以是既不精确也不精确，或许是既精确又精确。
换言之，咱们可以看到，只需丈量体系是精确的，求平均值便是进步咱们对这个目标的方位的认知的杰出途径。
假如丈量体系不精确，校准是咱们可以考虑的仅有处理计划。
导致时钟的本地时钟副本不精确的最首要要素之一是电子电路，特别是收发器的 FIFO：
-收发器FIFO 的时延在每次发动时会产生改动
-收发器FIFO 存在 PVT 相关时延［6］
上述两个要素需求分隔考虑，由于它们对精确性产生影响的办法不同。
第一个要素直接影响精确性：假如接纳器和发送器在发动不时延不同，IEEE1588 机制将无法检测出这种不同。任何失衡都会直接地影响精确性。乃至求平均值也不能缓解。关于图 3 所示的这个事例，读者会留意两个丈量值集存在倾向。
令人惊讶的是，第二个要素对精确性没有影响。事实上，因环境条件（电压和温度）形成的时延改动将一同适用于接纳器和发送器，并且 IEEE1588 机制将予以抵消。在咱们持续进行研讨前，我以为咱们应该更详细地考虑一下上面这个论说。
这是否暗示时刻传递只在发动后进行一次？答案是否。
假如咱们只校准一次，尽管 RX 和 TX 之间存在对称性，但时延的改动仍会引起从时钟差错，并且这个差错将跟着温度/电源漂移不断累积。这种状况的对策是以快于温度/供电改动的速度再同步。
咱们回忆一下到现在的内容：影响要素 1 要求咱们在发动时别离了解 RX 和 TX 的时延。影响要素 2 要求咱们随时刻推移，用足够快的速度再同步从时钟。
Versal 收发器供给不同的代替办法来丈量并操控时延，既在发动时也在运转中，这些办法可分为下列两种类型：
图 3 – 发动间的时延改动。
-缓冲器旁路。
-FIFO 时延丈量。
缓冲器旁路答应在 RX 和 TX 方向绕过 FIFO，经过树立精细的时钟计划，可处理跨时钟域的数据，且防止时序差错［7］、［8］［i］。毋庸赘述，缓冲器旁路的时延最小。尽管这种“副作用”或许对同步运用无关，但这对高频买卖 （HFT） 等其他职业范畴而言则是要害。
缓冲器旁路能经过将收发器时延设定成固定值来处理问题，而另一类值得注重的办法是将要点放在时延丈量自身。假如任何给定时刻点的时延已知，则可以方便地从头用于以数学办法校对挂钟时刻 （TOD） 值。
这种办法对同步运用很有含义，由于它不用修正 IP 自身的时钟架构，就能为一切 IP（首先是以太网）供给天然的晋级途径。
精度一同经过两类办法完成，由于精度取决于：
-收发器内置的硬编码模仿相位检测器以及
-用户操控的模仿相位内插器。用户可以用皮秒规模的增量轻松完成时钟相位的步进或步退。
尽管这看似值得重视，但其精确性怎么？失准的典型原因是发动之间的时延改动，这是分频器在重置后的随机相位形成的。
Versal 可以在发动时丈量或设置时延。这个初始校准阶段有助于保证已去除收发器中的一切失准源。
正如咱们之前说到的，运转中产生的时延改动对 RX 和 TX 是对称的，可经过 PTP 机制自身予以补偿。我以为对这个最终的论说有必要详细论述。假如 PTP 可以补偿这种类型的时延改动，那么随时刻推移时延丈量的优势是什么？
许多状况下，时延的改动在 RX 和 TX 之间并不对称。读者可以考虑固有的非对称协议的状况，例如 PON［9］。
在其他状况下，RX 途径和 TX 途径可以在不同物理器材上：在测验设备上是典型状况。不同的器材或许有不同温度，不同工艺和不同电源。一切这些原因归纳起来，将导致 RX 和 TX 之间的时延会随时刻的推移而演进开展，然后导致失准。
上面的示例，仅仅用来支撑 RX 和 TX 之间的时延并非总是一同改动的观念。
尽管许多渠道都能正确地完成 PTP 协议，但 Versal 渠道便于您在工作中运用自己的专业知识和思路，打赢这场精确性之战。这是一款助力您将构思变为实际的规范产品。
从纳秒级的典型架构时钟，到 Versal 内硬编码的模仿相位内插器供给的皮秒级时钟，Versal ACAP 在收发器时延操控和时延丈量方面，可谓革新者。
单芯片体系
在之前的部分中，咱们现已了解到 Versal 为安在精确性和精度上体现优异，以及开发同步运用时的要害要素。
我期望读者现在把要点放在“同步运用”的含义上：任何运用这项功用在网络节点间传递 TOD 的运用都归于这个类别。毋庸赘述，这严峻取决于详细用户。一般状况下，这需求装备带有专有软件、核算逻辑和各种接口的处理器。大多数状况下，它乃至还需求高速 ADC 或 DAC 以及/或许 DSP 引擎。
Versal 是一种自适应核算运用渠道 （ACAP），前文提及的一切构建块都在单芯片上集成在同一封装内。
体系架构师和设计师将可以运用自己的专业知识，在单颗器材上完成自己的运用。这是执行您的设想的最快捷、最快速的途径。
这仅仅关于Versal ACAP 的一个不同视角：在单芯片上运转并精确同步完好运用。
定论
本文从两个视点介绍了同一个具有革命性含义的 Versal 渠道：一个视点从微观上了解了运转着配有线接口和无线接口的定制可编程引擎的完好运用。
另一个视点在微观上提醒出每种接口怎么为极精确的时刻传达供给支撑。
处于 Versal 渠道的中心的，是构建您自己的运用所需的可编程逻辑。
在单颗器材上精确同步完好运用。
作者简介
Paolo 是赛灵思首席工程师，担任为欧洲、中东和非洲的战略客户供给技能支撑。他的首要研讨范畴包含猝发数据康复电路、网络时序同步、超采样技能和低时延传输架构。他是世界时刻与同步论坛 （ITSF） 辅导委员会委员。
Paolo 从米兰理工大学微电子专业取得硕士学位，持有 19 项已授权专利。
［1］和谐通用时刻 （UTC）。UTC根据世界各地多部原子钟的平均值。
［2］经过运用网络时刻协议 （NTP）
［3］全球导航卫星体系。最为人熟知的GNSS 示例是美国具有的GPS。此外，现在还有伽利略（欧盟一切）、格洛纳斯（俄罗斯一切）和斗极（我国一切），这仅仅其间几个最知名的导航卫星体系。咱们手机中的一切现代化 GNSS 接纳器都能运用多个 GNSS 体系，以进步运转精度。
［4］进一步了解可参看 https://en.wikipedia.org/wiki/Leap_second。该网页不只供给了自 1972 年以来选用的悉数闰秒，并且也对这种办法进行了介绍。
［5］进一步了解请参看： https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77
［6］PVT 指功耗、电压与温度。
［7］UltraScale 架构 GTY 收发器运用指南 https://www.xilinx.com/support/documentaTIon/user_guides/ug578-ultrascale-gty-transceivers.pdf
［8］“白皮书《赛灵思：完成 PTP 精确性的最佳渠道》https://www.xilinx.com/support/documentaTIon/white_papers/wp524-1588-platform.pdf
