我从事需要纳秒级时间同步的工业基础设施工作。解决这个问题的商业GPS控制的PTP主时钟低端价格从几千美元起，加上选项和支持则价格更高。我实验室里已经有CM4和CM4 IO板。一个搭配OCP M.2 GNSS模块的TimeHAT大约需要400美元，虽然这是更干净的路径，但在目标是学习PTP实际工作原理，而不是部署生产基础设施时，这个费用显得很高。这个构建的新零件总费用约为103美元。此帖子记录了我构建的内容、出现的问题、我必须修复的情况以及我测量的结果。PTP是什么，为什么它重要时间精度是一个连续体：单元是什么例子用途1秒（s）时钟的滴答人类日程安排，定时作业1毫秒（ms）1秒被分成1000个部分网页浏览，视频流，日志时间戳1微秒（µs）1秒被分成1000000个部分高频交易，音视频同步，分布式数据库1纳秒（ns）1秒被分成1000000000个部分航空航天仪器，工业自动化，科学数据采集，这个构建NTP对于网络服务器、数据库、身份验证系统以及需要知道某事发生时间但不需要跨机器协调硬件事件的所有内容来说都足够了。通过良好的参考局域网（LAN），NTP可以达到低微秒。通过广域网（WAN），它通常在低毫秒之间。上限是客户端和服务器之间的网络路径抖动，每个可变延迟都会给偏移估计增加噪声。PTP（精准时间协议，IEEE 1588）处理纳秒级同步。通过以太网PHY层的硬件时间戳，PTP能够在本地网络中将时钟同步到几十纳秒。主时钟是根时间源。它获取GPS控制的时间并通过PTP协议将其分发给客户端。纳秒是光在大约30厘米（约1英尺）内传播所需的时间。在这个构建之后，我的家庭实验室节点的时钟与GPS的实际时间相差光在一个房间内传播的时间。硬件组件备注成本Raspberry Pi CM4（8GB/32GB eMMC）已拥有N/A CM4 IO板已拥有N/A SR1723U10 GPS模块基于u-blox M10约15美元JEFA Tech U.FL到SMA长尾线用于天线连接约8美元Bingfu GPS天线主动型，SMA约12美元MOOKEERF SMA电缆各种长度约10美元Waveshare CM4 IO板外壳1U铝材约25美元ELEGOO Dupont超跳线组用于接线约8美元M2.5垫片组合安装硬件约8美元12V 2A电源供应用于I/O板约12美元CR2032电池用于板载RTC约5美元总费用（新零件）约103美元CM4和IO板已经在手。这构建与TimeHAT路径比较：此构建TimeHAT路径计算CM4 + IO板（已拥有）树莓派5（约80美元）GPS集成SR1723U10 + 接线（约23美元）TimeHAT + OCP M.2 GNSS模块（约395美元）天线Bingfu + 长尾线（约20美元）相同天线工作（约20美元）振荡器标准晶体TCXO（温度补偿）新开支约103美元约475美元以上振荡器的差异很重要。TimeHAT包括一个TCXO，用于补偿温度引起的频率漂移。在GPS持续运行期间，TCXO的时间保持精度显著高于标准晶体，因为随着电路板加热或冷却其频率保持稳定。CM4使用的标准晶体没有温度补偿。这个构建在10小时的保持期内保持了15毫秒的漂移，对这个用例来说是可以接受的。在生产环境中，当保持准确性至关重要时，TCXO的成本差异是值得的。TimeHAT还使用Intel i226 NIC，而不是依赖CM4的板载BCM54210PE，使用合适的SMA连接器，并且不需要跳线。如果您从零硬件开始，那条路径更容易。如果您已经有一个CM4并想了解PHY级别发生了什么，这个构建可以以较低的成本达到这个目的。关键硬件事实：CM4使用的BCM54210PE以太网PHY具有完全的IEEE 1588v2硬件时间戳支持。正因如此，使得在CM4上实现子微秒级的PTP成为可能。BCM54210PE在PHY内部的电缆接口处对数据包进行时间戳设置，在数据包接触内核网络栈之前。这消除了来自内核调度和中断处理带来的抖动。客户：Turing Pi 2集群板（RTL8370MB-CG + 交换机）RK1计算模块（Rockchip RK3588，Ubuntu 22.04）CM4（Ubuntu 24.04），k8s1节点Turing Pi 2有两个外部RJ45端口。两个端口都连接到同一个交换机结构上，与四个节点插槽合并。主时钟连接到ge1（第二个RJ45端口）。RK1和CM4客户端节点在内部节点插槽上。所有五个设备都在同一RTL8370MB-CG +交换机结构上，这意味着主时钟与客户端之间的PTP数据包通过单个交换跳转而不涉及路由。为何选择Ubuntu 24.04CM4最初运行的是Ubuntu 22.04，内核为5.15.0-1093-raspi。