CN105119703B - 多制式时钟MicroTCA系统及时钟管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MicroTCA系统及时钟同步方法，为解决现有技术中时钟源引入受限等问题而发明。其至少包括：MCH、多个通过背板与MCH连接的AMC卡，所述的MCH包括一时钟单元，用于将系统同步时钟通过预定的输出端口向AMC卡的预定的时钟输入端口输出；还包括至少一个通过背板与MCH连接的时钟卡，所述的时钟卡设有额外时钟输出端；所述的AMC卡上设有额外时钟输入端；所述的时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线对向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；所述的AMC卡上设有时钟管理单元，用于选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟。本发明在机箱内部配置专用的时钟分发板卡，可以支持多制式下的系统时钟同步以适应多制式融合场景，无需重新设计交换板MCH和AMC板卡，提高硬件的复用率，缩短产品开发周期，降低成本。并且允许时钟配置双冗余，以提高系统可靠性。

Description

多制式时钟MicroTCA系统及时钟管理方法

技术领域：

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种多制式时钟MicroTCA系统及时钟管理方法。

背景技术：

小型物理尺寸的电信计算架构(MicroTCA，Micro TelecommunicationsComputing Architecture)是周边元件扩展端口(PCI)工业计算机厂商协会(PICMG，PCIIndustrial Computer Manufacturers Group)制定的平台规范，MicroTCA采用先进夹层卡(AMC，Advanced Mezzanine Card)来构建小容量低成本的模块化通信平台，主要应用于诸如中央机房的小型电信设备或企业级通信设备。

图1为现有技术中的MicroTCA系统的组成结构图，如图1所示，一个MicroTCA系统中，主要功能模块包括：机框、电源模块(PM，Power Module)、扩展交换控制板(MCH，MicroTCA Carrier Hub)、以及AMC卡。其中，MCH是MicroTCA中的交换控制模块，主要功能包括：系统的控制、管理、数据交换和时钟。机框中与MCH、AMC以及PM连接的部分为背板，MCH、AMC以及PM通过背板中的线路进行连接和数据交换。

在目前的MicroTCA.0规范定义将时钟功能板放置在MCH上实现，采用星型的时钟拓扑结构，且在背板中定义了MCH槽位位于该星型拓扑的中心节点，MCH能够提供时钟端口与12个AMC的时钟连接。

MCH提供的时钟端口为预定义的三组：CLK1、CLK2和CLK3。其中，CLK1和CLK3为MCH的时钟输出端口，CLK2为MCH的时钟输入端口。

每个AMC具有四个预定义的时钟端口:TCLKA、TCLKB、TCLKC以及TCLKD。其中，TCLKA和TCLKC是时钟输入端口、TCLKB和TCLKD是时钟输出端口。

由于各AMC上的时钟端口TCLKA和TCLKB与MCH 1进行时钟信号交互，时钟端口TCLKC和TCLKD与MCH 2进行时钟信号的交互，MCH 1和MCH 2分别作为主备时钟功能板，所以，现有技术中的这种系统时钟的实现方法只能够为AMC提供一套系统时钟。

但是，随着通信领域多制式融合场景的出现，以及对系统带宽、速度、实时性、高精度等方面越来越高的要求，迫切需要基站设备提供多种制式、高精度的时钟同步接口。

而由于时钟同步信号的特殊性，决定了现有的MicroTCA系统时钟同步完全依赖MCH的技术实现，但是目前标准交换板MCH只支持有限时钟信号输入，不具备北斗PPS+TOD时钟信号输入、IEEE1588同步模式以及自定义时钟输入，且标准背板只支持3套标准电信时钟分发，无法支持不同制式下的系统时钟同步。

中国专利申请号：200710166404.8发明名称《一种系统时钟的实现方法、系统和时钟功能板》，其在MICROTCA架构中增加了一个时钟卡，该时钟卡利用原有的MCH时钟通道，向AMC提供额外类型的时钟；但其受限于原有时钟通道的限制，无法应用于更多时钟需求的环境。

发明内容：

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种系统及时钟管理方法。

为达到上述目的，本发明提供一种MicroTCA系统，其至少包括：MCH、多个通过背板与MCH连接的AMC卡，所述的MCH包括一时钟单元，用于将系统同步时钟通过预定的输出端口向AMC卡的预定的时钟输入端口输出；还包括至少一个通过背板与MCH连接的时钟卡，所述的时钟卡设有额外时钟输出端；所述的AMC卡上设有额外时钟输入端；所述的时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线对向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；

所述的AMC卡上设有时钟管理单元，用于选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟。

为达到上述目的，本发明提供一种基于MicroTCA系统时钟卡，其至少包括：

模式选择单元，用于选择不同的额外时钟源并输出；

解析/锁相单元，对选择单元输出的额外时钟源进行锁相同步并进行解析提取时钟信息，并将提取的时钟信息传送至驱动分发单元进行处理；

驱动分发单元，将提取出的时钟信息通过时钟卡上的额外端口分发。

MMC单元，用以与MCH交互通信的。

优选地，还包括：所述的时钟卡两个，每个时钟卡还设有冗余切换单元；所述的两个时钟卡以竞争方式上线。

优选地，所述的时钟源至少包括同步时钟源，北斗/GPS时钟源。

优选地，所述的时钟源的时钟信息包括TOD信息、PPS信息、同步时钟10MHz。

为达到上述目的，本发明提供一种MicroTCA系统时钟管理方法，所述的方法包括：

由MCH的时钟单元通过预定的输出端口向AMC卡的预定的时钟输入端口输出预定时钟；由时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线对向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；

AMC卡选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟。

本发明在机箱内部配置专用的时钟分发板卡，可以支持多制式下的系统时钟同步以适应多制式融合场景，无需重新设计交换板MCH和AMC板卡，提高硬件的复用率，缩短产品开发周期，降低成本。并且允许时钟配置双冗余，以提高系统可靠性。

附图说明

图1是现有技术中MicroTCA机箱结构框图；

图2是本发明实施例1的系统时钟拓扑示意图；

图3是本发明实施例2的系统时钟拓扑示意图；

图4是本发明实施例2系统时钟同步信息分发示意图；

图5是本发明实施例2中主/备时钟同步分发板卡的冗余切换方法示意图；

图6是本发明实施例2中主/备时钟同步分发板卡冗余切换流程图。

具体实施方式

本发明中，所述的“预定”或“预定义”是指现有技术中已定义的，例如“预定端口，是指现有技术中已定义并在本专利中沿用的端口。预定时钟，是指现有技术中已定义并在本专利中沿用的时钟。

本发明中，所述的“额外”是指区别于现有技术中已定义的，例如“额外端口，是指本发明区别于现有技术中所定义的端口。额外时钟，是指本发明区别于现有技术所提供的时钟。

本发明中，所述的时钟卡，是基于时钟卡是在AMC基础架构规范(例如：AMC.0 R2.0规范)的基础上进行修改，其具有基本的MMC单元，以提供基本的IPMI控制总线、以太网通道、与MCH互联的电信时钟通道等。

本发明中，所述的AMC卡，是指除了MCH和本发明所述的时钟卡以外的AMC卡。

下面结合本发明的附图和实施例，对本发明的目的、技术方案及优点进行清楚、完整地描述。

实施例1

图2为本发明的MicroTCA系统实施例1系统时钟拓扑图

如图2所示，本发明的MicroTCA系统，包括：一个MCH、多个通过背板与MCH连接的AMC卡，MCH包括一时钟单元，用于将系统同步时钟通过预定的输出端口向每个AMC卡的预定的时钟输入端口输出；一时钟卡，通过背板与MCH、AMC卡连接，时钟卡设有额外时钟输出端；每个AMC卡上设有额外时钟输入端；所述的时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线对向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；

在每个AMC卡上设有时钟管理单元，用于选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟。

本发明的时钟同步分发板卡(Time Block Unit，简称时钟卡)其包括：时钟处理单元、MMC处理单元；

时钟处理单元由模式选择单元、解析/锁相单元、驱动分发单元组成；

所述模式选择单元是时钟卡对多种时钟源其中一种进行解析/锁相、分发。多种时钟源分别来自于时钟卡前面板的三种外部时钟源和来自MCH的两种时钟源；所述前面板支持不同制式下的时钟同步，灵活性强，例如：采用IEEE1588协议的RJ45接口、接入同步时钟的SMA接口、GPS/北斗PPS+TOD的RS422接口。

所述解析/锁相单元是对模式选择单元输出的一种时钟源进行锁相同步并对这种制式下的信号进行解析提取时间同步信息(例如GPS/北斗PPS+TOD)和同步时钟，该时钟信息会传送至驱动分发单元进行处理；

所述驱动分发单元是将提取出的时钟信息通过背板连接接口进行驱动分发，背板连接接口，保持MCH提供的时钟端口、以太网通道不变，双时钟卡通过背板的60组时钟分发通道分发时钟同步信息至AMC1-AMC10，时钟卡上时钟分发通道占用Port2-15、Port17；

上述的时钟单元可以通过FPGA来实现。

所述MMC控制单元用于与MCH交互通信，完成板卡热插拔、温度、电压、状态实时监控，管理端口与AMC规范定义一致。

通过上述实施例1可知，本发明在机箱内部配置专用的时钟分发板卡，可以支持多制式下的系统时钟同步以适应多制式融合场景，无需重新设计交换板MCH和AMC板卡，提高硬件的复用率，缩短产品开发周期，降低成本。

如图2、图3所示，本系统可以工作在单MCH和单时钟卡的简单模式下，也可工作在双MCH和双时钟卡的冗余模式下，以提高了系统可靠性。由于实际使用时过程中冗余模式使用较多，因此下述以冗余模式为例进行说明。

实施例2

如图3所示，本发明的MicroTCA系统，包括：两个MCH，即主MCH、备MCH；两个时钟卡，即主时钟卡和备时钟卡，以及多个通过背板与两个MCH和两个时钟卡连接的AMC卡，

同样的，每个MCH包括一时钟单元，用于将系统同步时钟通过预定的输出端口向AMC卡的预定的时钟输入端口输出；每个时钟卡，通过背板与MCH连接，时钟卡设有额外时钟输出端；每个AMC卡上设有额外时钟输入端；所述的时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线对向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；

所述的AMC卡上设有时钟管理单元，用于选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟。

其中，每个时钟卡均是在AMC规范的基础上进行修改，其包括：时钟处理单元、MMC处理单元、冗余切换单元；其中，

时钟处理单元由模式选择单元、解析/锁相单元、驱动分发单元组成；

所述模式选择单元是时钟卡对多种时钟源其中一种进行解析/锁相、分发。多种时钟源分别来自于时钟卡前面板的三种外部时钟源和来自MCH的两种时钟源；所述前面板支持不同制式下的时钟同步，灵活性强，包括采用IEEE1588协议的RJ45接口、接入同步时钟的SMA接口、GPS/北斗PPS+TOD的RS422接口。可依据帧边界来判定模式，由计数器控制1s检测帧边界(1PPS)是否一直存在，由变量switch代表模式。如果在初始状态，一直检测不到帧边界，就直接进入到切换IEEE1588模式状态。如果一直处于连接状态，则进入解析模式；如果连接错误，状态机进入切换模式状态，切换完成后重新检测帧边界的连接情况，以此来进行模式的识别与切换。

所述解析/锁相单元是对模式选择单元输出的一种时钟源进行锁相同步并对这种制式下的信号进行解析提取PPS+TOD时间同步信息、同步时钟，该时钟信息会传送至驱动分发单元进行处理；

所述驱动分发单元是将提取出的时钟信息通过背板连接接口进行驱动分发，背板连接接口，保持MCH提供的时钟端口、以太网通道不变，双时钟卡通过背板的60组时钟分发通道分发时钟同步信息至AMC1-AMC10，时钟卡上时钟分发通道占用Port2-15、Port17；

所述冗余切换单元是与备用时钟卡进行实时状态监测、切换；双时钟卡通过心跳与状态检测进行冗余切换，其中心跳信号占用Port18通道，状态信号占用Port20通道，每个通道均包括收发两组差分信号；

所述MMC控制单元用于与MCH交互通信，完成板卡热插拔、温度、电压、状态实时监控，管理端口与AMC.0R2.0规范定义一致。

本发明时钟卡在保留原有MCH中CLK1、CLK2、CLK3通道的基础上利用规范中未定义的PORT2-PORT20向10-11块AMC分发30-33组系统同步时钟，同时还可以接收MCH的时钟信号。

本实施例2的工作过程如下：

系统上电后：

第一步MCH板卡开始工作，通过IPMI协议对AMC板卡及时钟卡进行上电；

第二步时钟卡同时接收并检测同步时钟源发出的同步时钟10MHz，将其作为板卡基本时钟；

第三步时钟卡经过竞争机制、判别机制，确定主/备情况；

第四步时钟卡判定处于主模式或者从模式；

第五步时钟卡接收同步信息后，主/备时钟卡均对同步信息进行解析，主时钟卡将PPS、TOD、同步时钟信息利用Port2-Port6、Port7-Port11及Port12-Port17端口通过背板分发给各AMC板卡。

第六步各AMC板卡通过Port13、Port14、Port15三端口接收到同步信息，从而实现时钟的同步。

下面结合图4对本实施例2中时钟同步信息分发进行说明：

主/备时钟卡输出三种时钟同步信号：PPS、TOD、同步时钟10MHz，每种信号共10组，分别对应10块AMC板卡，一共60组信号通过背板分发给每个AMC板卡。背板增加自定义时钟通道，包括PPS通道、TOD通道、10MHz通道。

与所述时钟卡相连的AMC板卡，分别接收主/备时钟卡分发的三种时钟同步信号，共6组。

需要说明的是，所述时钟卡与所述AMC板卡具体连接方法如下：

所述时钟卡PPS信号占用Port2、Port3、Port4、Port5、Port6通道，10MHz同步时钟占用Port7、Port8、Port9、Port10、Port11通道，TOD信号占用Port12、Port13、Port14、Port15、Port17通道，上述所有通道全部定义为输出通道。

所述AMC板卡接收主/备时钟卡发送的共6组时钟同步信号，该6组时钟同步信号占用Port13、Port14、Port15通道，其中Port13的RX通道接收主时钟卡的PPS信号，TX通道接收主时钟卡的10M时钟信号，Port14的RX通道接收主时钟卡的TOD信号，RX通道接收备用时钟卡的TOD信号，Port15的RX通道接收备用时钟卡的PPS信号，TX通道接收备用时钟卡的10MHz同步时钟。

图5为本发明主/备时钟同步分发板卡的冗余切换方法示意图，包括背板状态同步通道、主/备时钟卡同步方法。

所述背板状态同步通道是四对差分控制线，分别为心跳信号Heart_Rx，Heart_Tx，状态信号STATE_Rx，STATE_Tx。

所述主/备时钟卡同步方法包括竞争机制、判别机制、切换机制。

竞争机制是确定主/备时钟卡，默认先上电正常工作的板卡为主，正常情况下只有主时钟板卡输出时钟同步信息，备用时钟板卡输出为0。

判别机制是当时钟卡正常上电后，会发出有效心跳信号，若板卡可正常分发时钟同步信号后，会发出有效的状态信号，表明本槽位的时钟同步板卡工作正常。

切换机制是主/备时钟卡根据心跳信号以及状态信号来判定并实现冗余切换。当主时钟板卡故障时，备用板卡不能检测到有效的状态信号，备用板卡切换为主时钟卡，输出时钟同步信号，从而实现无缝切换。

图6为本发明主/备时钟同步分发板卡冗余切换流程图。

如图6所示，时钟卡正常上电之后，会向外发出有效心跳信号，表明本端有时钟卡插入且正常上电；若对端时钟卡未插入，本端时钟卡检测不到有效的心跳信号，则本端时钟卡切换为主板卡状态，输出时钟同步信号，并会向外发出有效的状态信号；若对端时钟卡正常上电且发出有效心跳信号，本端时钟卡检测是否接收到有效状态信号，若未检测到有效状态信号则本端时钟卡切换为主板卡状态，输出时钟同步信号，并会向外发出有效的状态信号；若对端时钟卡正常输出时钟同步信号，本端时钟卡可以检测到有效心跳及状态信号，则关闭时钟同步信号输出，切换为从板卡状态；若本端时钟卡出现故障，停止向外发出有效状态信号并关闭时钟同步信号输出，切换为从板卡状态。

实施例2完毕。

综上可知，本发明在机箱内部配置专用的时钟分发的时钟卡，可以支持多制式下的系统时钟同步以适应多制式融合场景，无需重新设计交换板MCH和AMC板卡，提高硬件的复用率，缩短产品开发周期，降低成本，主备时钟板卡单独为每个AMC板卡提供三组时钟信号，特殊情况下可为AMC板卡提供五组时钟信号，可扩展性更强。并且本发明系统中的AMC卡可以根据需要以下三种方式工作：

1.以现有方式工作

时钟卡插入后不影响MCH的正常工作由于本发明的时钟卡是在AMC基础架构规范(AMC.0R2.0)规范的基础上进行修改，背板接口包括与AMC互联的30组时钟通道、IPMI控制总线、以太网通道、与MCH互联的电信时钟通道。电源启动后，MCH开始工作，插入时钟卡，MCH通过IPMI总线控制时钟卡上电，二者工作机制无冲突，均可正常工作。

2.MCH、时钟卡协同工作

MCH板卡与时钟卡均有时钟接口，MCH板卡可接入GPS时钟信号、系统同步时钟，时钟卡可接入IEEE1588时钟信号、GPS/北斗时钟信号、系统同步时钟。MCH板卡与时钟卡可协同工作，为系统中的每个AMC板卡提供五路时钟源。MCH与时钟卡配合方式如下所示

当系统工作在GPS/北斗模式。第一种实现方案可由MCH分发GPS/北斗时钟信号，由时钟卡分发同步时钟信号，但由于MCH的接口局限性，无法分发TOD信息，因此由时钟卡进行分发。

第二种实现方案由MCH分发同步时钟信号，由时钟卡分发GPS/北斗时钟信号。在本方案中，提供时钟的方法过程如下：

MCH接收并将同步时钟通过背板分发给各AMC板卡及时钟卡；

时钟卡接收并检测来自MCH的同步时钟，从而验证MCH由背板提供给各板卡的时钟是否正确。

时钟卡利用冗余&热切换机制，通过检测是否有同步信息输入，以及检测对方板卡的心跳和状态信息，判断时钟卡的主从情况。

主、从时钟卡均对PPS+TOD同步信息进行解析，得到PPS，主板卡并将TOD分发给各AMC板卡。AMC板卡通过对三端口的切换，接收到同步信息，对同步信息进行解析，得到PPS+TOD、同步时钟等，从而实现时钟的同步。

当系统工作在IEEE1588模式。由于MCH的局限性，不具备IEEE1588接口输入，因此由MCH分发同步时钟信号，由时钟卡分发IEEE1588时钟信号。

3.时钟卡独立分发时钟

为符合系统时钟同步需求，时钟卡支持不同模式的时钟输入，包括支持IEEE1588协议的RJ45接口，支持GPS/北斗PPS+TOD以及接入同步时钟的SMA接口；GPS/北斗PPS+TOD采用RS422接口。在本方案中，由时钟卡分发同步时钟信号，GPS/北斗时钟信号或者IEEE1588信号。

Claims (4)

1.一种MicroTCA系统，包括：MCH、多个通过背板与MCH连接的AMC卡，所述的MCH包括一时钟单元，用于将系统同步时钟通过预定的输出端口向AMC卡的预定的时钟输入端口输出；其特征在于，还包括至少一个通过背板与MCH连接的时钟卡，所述的时钟卡设有额外时钟输出端；所述的AMC卡上设有额外时钟输入端；所述的时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线对向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；

所述的AMC卡上设有时钟管理单元，用于选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟；

所述的额外时钟至少包括由同步时钟源发出的同步时钟10MHz频率时钟信号以及北斗或GPS时钟源发出的TOD信息和PPS信息。

2.一种基于MicroTCA系统AMC时钟卡，其特征在于，至少包括：

模式选择单元，用于选择不同的额外时钟源并输出；

解析/锁相单元，对选择单元输出的额外时钟源进行锁相同步并进行解析提取时钟信息，并将提取的时钟信息传送至驱动分发单元进行处理；

驱动分发单元，将提取出的时钟信息通过时钟卡上的额外端口分发；

MMC单元，用以与MCH交互通信的；

所述的额外时钟至少包括由同步时钟源发出的同步时钟10MHz频率时钟信号以及北斗或GPS时钟源发出的TOD信息和PPS信息。

3.如权利要求2所述的AMC时钟卡，其特征在于，还包括：所述的时钟卡两个，每个时钟卡还设有冗余切换单元；所述的两个时钟卡以竞争方式上线。

4.一种MicroTCA系统时钟管理方法，其特征在于：所述的方法包括：

由MCH的时钟单元通过预定的输出端口向AMC卡的预定的时钟输入端口输出预定时钟；

由时钟卡额外时钟输出端通过背板上的额外差分线向AMC卡额外时钟输入端输出额外时钟；

AMC卡选择使用MCH输出的预定时钟和/或AMC时钟卡输出的额外时钟；

所述的额外时钟至少包括由同步时钟源发出的同步时钟10MHz频率时钟信号以及北斗或GPS时钟源发出的TOD信息和PPS信息。