基于以太网的网络化时间统一系统的研究及实现__PTP_27_47.pdfVIP

第三章 PTP 时钟模块硬件设计 3.1 PTP 时钟模块整体设计结构 3.1.1 OSI模型与TCP/IP 模型 OSI 模型包含 7 个概念层，层编号为 1－7 。层号代表该层在模型中的位置。 每层都有具体的功能，并为其上一层提供服务。因此，当硬件接收到一个数据报 文时，每一层都要处理所接收到的数据报文，并将其传送到上一层。当一个应用 要在网络上发送一个数据报文时，它从第七层开始，该层使用其下一层所提供的 服务，依此类推，直到该分组从网络上发送出去。TCP/IP 模型使用 4 层来实现 网络。这4 层涵盖了 OSI 的2 至 7 层[22] 。这里，以开放系统互联（OSI ）参考模 型与 TCP/IP 参考模型联合作为 PTP 时钟模块设计的框架。如图 3.1 所示。 图3.1 PTP 时钟模块的 OSI 模型与 TCP/IP 模型 3.1.1.1 物理层 物理层是构成连接的最基本的层次。数据在此处被物理移动到网络接口。它 将逻辑比特转换成电脉冲（反之亦然）并通过网络发送（和接收）[22] 。DP83640 就工作在该层。 3.1.1.2 数据链路层 数据链路层对应于 TCP/IP 模型的网络接口层。该层定义如何使用物理层的 13 规则。电脉冲在此被转换成一系列的 0 和 1。该层负责逻辑链路控制、介质访问 控制、硬件寻址、错误检测和处理，并定义物理层标准。以太网就是与该层相关 联的协议[22] 。该层常被分为两个子层：逻辑链路控制（LLC ）和介质访问控制 （MAC ）。LPC1758 芯片就是集成了 MAC 功能的 ARM 芯片。LPC1758 在该层 完成对 MAC 及 DP83640 物理层芯片的驱动初始化工作。 3.1.1.3 网络层 网络层对应于TCP/IP 模型的网际层，该层负责网间寻址（IP 地址）、数据 封装、路由选择、分片、错误处理和诊断。可以在该层运行网际协议 （IP ），Internet 控制报文协议 ICMP （Internet Control Message Protocol ）。IP负责寻址和路由功 能，提供封装和将运输层数据报发送到网络的功能。ICMP 为错误处理和诊断提 供支持[22] 。 在数据链路层与网络层之间的地址解析协议 ARP （Address Resolution Protocol ） 与逆向地址解析协议 RARP （Reverse Address Resolution Protocol ）起 到了地址翻译器的作用。ARP 是将网络层的 IP 地址映射到数据链路层的 MAC 物理网络地址，而 RARP 从 数据链路层的 MAC 物理网络地址为设备提供网络 层 IP 地址。 3.1.1.4 运输层 运输层负责在网际设备之间运输数据，以便以可靠或不可靠的方式发送数 据。该层构成端到端的通信。在该层中，不同的进程被分配具体的源和目的地址 （端口号），因此多个进程可以同时运行。该层的运输控制协议 TCP （Transmission Control Protocol ）可靠的运输数据，建立和管理设备之间的连接，而用户数据报 协议 UDP （User Datagram Protocol ）是不可靠运输数据的无连接协议，其不保证 数据交付，但有更好的性能。在 PTP 时钟模块设计中使用的是UDP 协议[22] 。 3.1.1.5 应用层 TCP/IP 参考模型的应用层涵盖了 OSI 参考模型的 5 到 7 层。实时操作系统 RTX 与精密时间协议（PTP ）就运行在该层。 3.1.2 PTP 时钟模块整体设计结构 通过 OSI 模型与 TCP/IP 模型的分层介绍，建立如图 3.2 所示的 PTP 时钟模 14 块软硬件设计结构。硬件平台结合了DP83640 物理层收发芯片与ARM Cortex-M3 系列的 LPC1758 微处理器芯片。软件设计实现了 IEEE1588-2002 协议的同步功 能与 UDP/IPV4 网络协议栈，并在主时钟使用了 RTX 实时操作系统。DP83640 功能模块主要包括 PHY 以太网物理层接口、IEE