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Genaue Synchronisierung in nur einem Chip

Versal
Versal von Xilinx
© Xilinx/WEKA Fachmedien.de

Egal ob Finanzwesen, Telekommunikation, Industrie, Consumer, Aerospace, Verteidigung oder Automotive – in allen Industrien ist eine Synchronisierung enorm wichtig. Die Versal-Familie ermöglicht eine vollständige Applikation, genau synchronisiert, in einem einzigen Baustein.

Viele Applikationen würden ohne Synchronisierung überhaupt nicht existieren. Im gesamten Text werden die Bezeichnungen Takt und Uhrzeit (TOD, Time Of the Day) wechselseitig austauschbar verwendet. Spezifisch ausgedrückt: Im Kontext der Synchronisierung ist ein Takt kein periodischer Signalverlauf (Bild 1).

Im täglichen Leben (Beispiel 1) verwenden wir häufig Aussagen wie: »Wir treffen uns morgen um 2 Uhr«. Bereits dieses einfache Statement impliziert eine ganze Reihe von Annahmen, die sich auf die Synchronisierung beziehen:

  • Es setzt voraus, dass die zum Meeting eingeladenen Personen einen gemeinsamen Zeitbegriff haben. In Mitteleuropa beruht der Satz auf der Annahme, dass alle Teilnehmer sich auf die Mitteleuropäische Zeit (MEZ = UTC +1 h) beziehen.
  • UTC (Coordinated Universal Time) ist die Zeit, die im Metrology Lab in London verwendet wird. Sie gilt als weltweit gebräuchliche Zeitkonvention. Unsere Mobiltelefone operieren mit einer Kopie von UTC und synchronisieren sich im Hintergrund periodisch mit UTC, um sicherzustellen dass sie "in sync" sind. Unsere Computer verfahren ebenso.

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Bild1
Bild 1 - Definition von Takt im Kontext der Synchronisierung.
© Xilinx

Die einfache Aussage »Wir treffen uns um 2 Uhr« geht also davon aus, dass dahinter eine komplexe Infrastruktur steht, auf die wir uns implizit beziehen.

Im Beispiel 2 betrachten wir eine »scheinbar« anders gelagerte Situation: Geo-Lokalisierung via GNSS. Ein Mobiltelefon empfängt die Tageszeit (d. h. seinen Takt) von verschiedenen Satelliten, wobei jeder diesen zum selben Zeitpunkt aussendet. Dabei ist das Mobiltelefon nicht gleich weit von allen Satelliten entfernt. Deshalb ist es in der Lage, die Phasendifferenz zwischen den Taktsignalen der verschiedenen Quellen zu messen. Für den GNSS-Empfänger ist es also leicht, seine eigene Position zu berechnen - unter der Voraussetzung, dass die Positionen der Satelliten von Anfang an (a priori) bekannt sind.

Beide genannten Beispiele haben viele Gemeinsamkeiten: Alle Teilnehmer des geplanten Meetings haben ein gemeinsames Zeitgefühl, genauso wie die Satelliten im zweiten Beispiel. Mehr noch: Die Teilnehmer und die Satelliten verfügen über eine Kopie der gemeinsamen Zeit, auf die sie sich beziehen. Aber sie besitzen nicht unmittelbar dieselbe Quelle der Zeit, denn sie sind geographisch weit voneinander entfernt.

Synchronisierung ist die Technologie, die lokale Kopien (slaves) des Takts bereitstellt, die laufend mit einer gemeinsamen Referenz (master) abgeglichen werden: Genau das ist die Definition, die wir brauchen.

In beiden genannten Beispielen beeinflusst jedweder Synchronisierungsfehler die Performance der finalen Applikation. Im ersten Beispiel gilt: Falls die Uhr eines eingeladenen Teilnehmers nachgeht, wird er verspätet zum Meeting erscheinen. Im zweiten Beispiel: Falls ein Satellit einen Fehler in seiner lokalen Kopie des Takts aufweist, berechnet der GNDD-Empfänger eine falsche Position.

Beide Beispiele haben gewisse Ähnlichkeiten. Doch es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen beiden: in der von der Applikation verlangten Genauigkeit. Im ersten Beispiel wird sich niemand beschweren, wenn eine Uhr um eine Sekunde nachgeht. Eine Verspätung von einer Sekunde wird bei einem persönlichen Treffen ohne weiteres toleriert. In einem GNSS-Empfänger jedoch bewirkt die Abweichung um eine Sekunde einen Fehler in der berechneten Position. Und der macht die Applikation schlicht unbrauchbar.

Das zeigt, dass beide Applikationen zwar auf derselben Technologie basieren, nämlich der Synchronisierung, aber absolut unterschiedliche Akzeptanzkriterien haben, wobei diese Akzeptanzkriterien nur für jede einzelne Applikation gültig sind. Allerdings: Während die Genauigkeit eine der wichtigsten Akzeptanzkriterien ist, ist sie nicht das einzige: Sicherheit, Verfügbarkeit, Präzision, Integration, nur um einige zu nennen, sind Beispiele für weitere solcher Kriterien.

Ein paar Hinweise zu UTC: UTC verwendet Atomuhren, um sicherzustellen, dass eine Sekunde, als Zeiteinheit, genau definiert ist. Die Erdrotation als Zeitreferenz ist leider nicht genau genug, sie kann von Jahr zu Jahr um mehrere Sekunden abweichen. Nach einer gewissen Zeit könnte also der Fall eintreten, dass die akkumulierten Fehler die UTC-Phase gegenüber der Erdzeit verschieben. Nach vielen Jahren könnte es also sein, dass um die Mittagszeit tiefe Nacht herrscht. Um dieses potenzielle Langzeitproblem zu verhindern, kompensiert das Metrology Lab in London den Wert von UTC durch periodisches Hinzufügen oder Auslassen einer Sekunde. Typischerweise geschieht dies einmal im Jahr, Ende Juni und Ende Dezember. Diese Korrekturen werden als Schaltsekunden bezeichnet.

Die Zeitbasis, die vom GPS (Global Positioning System) bereitgestellt wird, verwendet dieselbe Definition einer Sekunde wie UTC. Doch sie implementiert keine Schaltsekunden. Das ist der Grund, warum zu Anfang des Jahres 2021 die GPS-Zeit und die UTC-Zeit um 18 Sekunden voneinander abweichen. Dieser Wert könnte sich in Zukunft weiter ändern.

Als Nutzer müssen wir uns darüber keine Gedanken machen: Unsere Mobiltelefone und Computer werden im Hintergrund auf UTC synchronisiert. Sie bleiben also auch nach etwaigen Schaltsekunden im abgeglichenen Status. Um die UTC-Basis bereitzustellen, auch wenn der Datenempfang gestört ist, wird die Zeitinformation zusätzlich durch die deutsche Langwellenstation DCF77 ausgestrahlt.


  1. Genaue Synchronisierung in nur einem Chip
  2. Die Synchronisierungsmetrik in Versal
  3. Transceiver-FIFOs beeinflussen die Genauigkeit

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