一种网络时钟同步实现装置

技术领域

本申请涉及计算机通信的领域，尤其是涉及一种网络时钟同步实现装置。

背景技术

时钟同步功能是构建大规模分布式系统所必须实现的重要功能，通过SOPC架构下的网络通信端口所实现的时钟服务器或时钟客户端角色，为网络通信端口所驻留的各个分系统提供全网时钟同步功能。在航空、航天等特殊分布式系统环境中，多采用定制化方案实现时钟同步功能，通过纯硬件方式实现时钟同步数据的计时与守时操作。当各分系统由于系统升级、国产化提升等导致硬件组件发生变更时，原有基于硬件的时钟同步方案由于其定制化实现方式往往需要重新开发硬件及逻辑，为系统的升级以及综合带来了很大的难度。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种网络时钟同步实现装置，解决了现有技术中的问题，实现时钟服务器端的软件授时、守时及实时发送操作以及时钟客户端的计时和时钟偏差校准操作，为分布式系统间的时钟同步提供了灵活、有效的软件实现手段。

本申请提供的一种网络时钟同步实现装置采用如下的技术方案：

一种网络时钟同步实现装置，包括主机接口控制单元、信息交互区、嵌入式处理器、ELS帧发送缓冲区、通信消息帧发送缓冲区、调度器和MAC；

所述主机接口控制单元提供网络通信端口的对外主处理器访问接口；

所述信息交换区为一块双端口访问DPRAM区域，向外部主处理器和内部嵌入式处理器开放，外部主处理器通过主机接口控制单元实现对信息交互区的操作；

所述嵌入式处理器用于与外部主处理器进行交互，响应相应中断，完成时钟同步帧的组织与收发操作，外部主处理器和嵌入式处理器通过对信息交换区进行读/写访问实现上/下层信息的传递与交换；

ELS帧发送缓冲区用于存放待发送的网络管理帧和时钟同步帧；

所述通信消息帧发送缓冲区用于存放待发送的网络通信消息，待发送的网络通信消息包括紧急消息和事件消息；

MAC实现对外网络接口的传输服务支持；

所述调度器实现对ELS帧发送缓冲区和通信消息发送缓冲区中的待发送消息的优先级调度，并将当前需要发送的数据帧提交至MAC。

可选的，还包括ELS帧接收缓冲区，ELS帧接收缓冲区用以存放从MAC接口接收到的网络管理帧和时钟同步帧。

可选的，还包括中断处理单元、定时器、时钟同步帧发送标志寄存器、时钟同步帧发送指针寄存器和ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组；

所述中断处理单元用于对外部主处理和内部嵌入式处理器的中断响应与处理，中断类型包括网络通信端口作为时钟服务器时由主处理器下发的授时中断和用作时钟同步周期计时的内部定时器中断，中断类型还包括网络通信端口作为时钟客户端时网络接口上报的ELS消息接收中断、主处理器端读取时钟信息时的读取时钟中断和时钟上报中断；

所述定时器设有四个，分别为第一定时器、第二定时器、第三定时器和第四定时器，所述第一定时器用以实现时钟服务器端时钟同步信息从主处理器授时刻到嵌入式处理器完成组帧时刻的守时操作；所述第二定时器用以实现时钟服务器端时钟同步周期及时功能，并按照主处理器设定的时钟同步周期进行计时，当到达同步周期时向中断处理单元上报同步周期到达中断；所述第三定时器用以实现时钟客户端接收到时钟同步帧时刻到嵌入式处理器读取时钟同步值时刻的时钟偏差校准操作；所述第四定时器用以实现嵌入式处理器读取时钟同步值时刻到主处理器读取时钟同步值时刻的时钟守时操作；

所述时钟同步帧发送标志寄存器用以标识当前所述ELS帧发送缓冲区中是否有待发送的时钟同步帧，当所述嵌入式处理器将组织好的时钟同步帧写入ELS帧发送缓冲区中时，将时钟同步帧发送标志寄存器置为有效，所述调度器获取时钟同步帧发送标志寄存器状态，当识别到状态为有效时，优先从ELS帧发送缓冲区将时钟同步帧取出并经由MAC发送至网络；

所述时钟同步帧发送指针寄存器用以标识时钟同步帧在ELS帧发送缓冲区中的指针位置，当时钟同步帧发送标志寄存器状态为有效时，所述调度器按照时钟同步帧发送指针寄存器所标识的指针位置从ELS帧发送缓冲区中将时钟同步帧取出并以最高优先级提交给MAC；

ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组用以记录当前ELS帧接收缓冲区中所有数据帧的到达时间，基于ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组实现时钟同步信息接收过程中的守时操作和时钟偏差校准操作，从而确保时钟同步帧从网络接口接收时刻到嵌入式处理器读取时刻的时钟偏差校准精度；

所述外部主处理器通过主机接口控制单元实现对时钟同步帧发送标志寄存器、时钟同步帧发送指针寄存器和中断处理单元的读/写访问；

所述嵌入式处理器控制时钟同步帧发送标志寄存器、时钟同步帧发送指针寄存器和定时器，完成时钟同步帧的组织与收发操作，实现时钟同步管理、设备管理和通信管理功能；

所述调度器对时钟同步帧发送指针寄存器进行维护。

可选的，当网络通信端口作为时钟服务器时，实现时钟同步帧的发送功能时：

外部主处理器通过主机接口控制单元将当前时钟值写入信息交互区，同时向中断处理单元上报授时中断；

嵌入式处理器接收到主处理器下发的授时中断，启动第一定时器进行步进计数，以实现时钟服务器端时钟同步信息从主处理器授时刻到嵌入式处理器完成组帧时刻的守时操作，从信息交互区读取主处理器设置的时钟值；

嵌入式处理器接收到第二定时器上报的同步周期到达中断时，进行时钟同步帧的组帧操作，基于主处理器设置的时钟值和第一定时器中的步进值计算出当前的时钟值并填入时钟同步帧内部；将时钟同步帧写入ELS帧发送缓冲区当中，同时将时钟同步帧发送标志寄存器置为有效，在时钟同步帧发送指针寄存器中标识时钟同步帧在ELS帧发送缓冲区中的指针位置；

调度器执行调度操作，将时钟同步帧以最高优先级提交至MAC；

时钟同步帧发送至网络。

可选的，当网络通信端口作为时钟客户端时，实现时钟同步帧的接收功能时：

MAC接口接收ELS帧，ELS帧包括网络管理帧和时钟同步帧，每次当接收到ELS帧时向中断处理单元上报ELS消息接收中断，同时将ELS帧写入ELS帧接收缓冲区，网络管理帧和时钟同步帧在ELS帧接收缓冲区顺序排列；

MAC每次接收到ELS帧时，将当前第三定时器中的时间标识值写入ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组中，ELS帧接收缓冲区中第1个ELS帧对应的到达时间为T1，第2个ELS帧对应的到达时间为T2，……，第n个ELS帧对应的到达时间为Tn；

嵌入式处理器接收到ELS消息接收中断后，对ELS帧接收缓冲区中的ELS帧逐个进行读取，判断当前ELS帧是否是时钟同步帧，若ELS帧接收缓冲区中的第m个ELS帧是时钟同步帧，则读取时钟同步帧中标识的时钟值T_frame，读取此时刻第三定时器中的时间值T_syn，从ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组中读取时钟同步帧对应的到达时间值Tm，计算并记录T_frame+T_syn-Tm的值为嵌入式处理器读取到ELS帧接收缓冲区中时钟同步帧时刻的时间值T_mread；此时启动第四定时器，以实现嵌入式处理器读取时钟同步值时刻到主处理器读取时钟同步值时刻的时钟守时操作；将ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组中所有剩下的数据到达时间依次减去Tm，第三定时器的时间值减去Tm后继续进行步进操作；

等待外部主处理器端读取时钟信息时的读取时钟中断，若主处理器端需要读取时钟同步信息，则向中断处理单元提交读取时钟中断；

嵌入式处理器响应主处理器的读取时钟中断中断，基于T_mread时钟值和第四定时器中的步进值计算出当前的时钟值，写入信息交互区，并向中断处理单元上报时钟上报中断；

主处理器响应时钟上报中断，从信息交互区中读取当前的时钟值。

可选的，所述调度器调度规则定义包括：

时钟同步帧优先级最高，网络管理帧优先级最低，通信消息帧的优先级在时钟同步帧和网络管理帧之间；

调度器执行调度操作时判断时钟同步帧发送标志寄存器状态；

若存在待发送的时钟同步帧，调度器根据时钟同步帧发送指针寄存器中的位置标识，从ELS帧发送缓冲区中提取时钟同步帧并以最高优先级提交至MAC；

若不存在待发送的时钟同步帧，则调度器优先将通信消息帧发送缓冲区中的通信消息帧提交至MAC。

综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

时钟同步设计灵活，基于软件实现时钟同步设计，实现过程灵活、有效；

在系统升级和国产化提升设计等过程中，不用重新开发硬件及逻辑，仅需升级软件即可实现全网时钟同步功能，系统升级维护便利；

架构机理简单，软件可复用性强，适用于各种网络通信接口间的时钟同步操作，

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请网络时钟同步实现装置的结构框图；

图2为本申请实现时钟同步帧的发送功能时的流程图；

图3为本申请实现时钟同步帧的接受功能时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供一种网络时钟同步实现装置。

如图1所示，一种网络时钟同步实现装置，包括主机接口控制单元、信息交互区、嵌入式处理器、ELS帧发送缓冲区、ELS帧接收缓冲区、通信消息帧发送缓冲区、调度器和MAC。

所述主机接口控制单元提供网络通信端口的对外主处理器访问接口；外部主处理器通过主机接口控制单元实现对网络通信端口内部信息交互区，与网络通信端口进行时钟同步信息和中断信息的交互，完成授时与取时操作。

所述信息交换区为一块双端口访问DPRAM区域，向外部主处理器和内部嵌入式处理器开放，外部主处理器通过主机接口控制单元实现对信息交互区的操作。

所述嵌入式处理器用于与外部主处理器进行交互，响应相应中断，完成时钟同步帧的组织与收发操作，外部主处理器和嵌入式处理器通过对信息交换区进行读/写访问实现上/下层信息的传递与交换。

所述ELS帧发送缓冲区用于存放待发送的网络管理帧和时钟同步帧，其中时钟同步帧在ELS帧发送缓冲区中的位置通过时钟同步帧发送指针寄存器进行标识。

所述ELS帧接收缓冲区用以存放从MAC接口接收到的网络管理帧和时钟同步帧。以上两种ELS帧在ELS帧接收缓冲区中按照接收顺序存放

所述通信消息帧发送缓冲区用于存放待发送的网络通信消息，待发送的网络通信消息包括紧急消息和事件消息。

MAC实现对外网络接口的传输服务支持。

所述调度器实现对ELS帧发送缓冲区和通信消息发送缓冲区中的待发送消息的优先级调度，并将当前需要发送的数据帧提交至MAC。所述调度器调度规则定义包括：时钟同步帧优先级最高，网络管理帧优先级最低，通信消息帧的优先级在时钟同步帧和网络管理帧之间；调度器执行调度操作时判断时钟同步帧发送标志寄存器状态；若存在待发送的时钟同步帧，调度器根据时钟同步帧发送指针寄存器中的位置标识，从ELS帧发送缓冲区中提取时钟同步帧并以最高优先级提交至MAC；若不存在待发送的时钟同步帧，则调度器优先将通信消息帧发送缓冲区中的通信消息帧提交至MAC。

网络时钟同步实现装置还包括中断处理单元、定时器、时钟同步帧发送标志寄存器、时钟同步帧发送指针寄存器和ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组；

所述中断处理单元用于对外部主处理和内部嵌入式处理器的中断响应与处理，中断类型包括网络通信端口作为时钟服务器时由主处理器下发的授时中断和用作时钟同步周期计时的内部定时器中断，中断类型还包括网络通信端口作为时钟客户端时网络接口上报的ELS消息接收中断、主处理器端读取时钟信息时的读取时钟中断和时钟上报中断；

所述定时器设有四个分别为第一定时器、第二定时器、第三定时器和第四定时器，所述第一定时器用以实现时钟服务器端时钟同步信息从主处理器授时刻到嵌入式处理器完成组帧时刻的守时操作；所述第二定时器用以实现时钟服务器端时钟同步周期及时功能，并按照主处理器设定的时钟同步周期进行计时，当到达同步周期时向中断处理单元上报同步周期到达中断；所述第三定时器用以实现时钟客户端接收到时钟同步帧时刻到嵌入式处理器读取时钟同步值时刻的时钟偏差校准操作；所述第四定时器用以实现嵌入式处理器读取时钟同步值时刻到主处理器读取时钟同步值时刻的时钟守时操作；

所述时钟同步帧发送标志寄存器用以标识当前所述ELS帧发送缓冲区中是否有待发送的时钟同步帧，当所述嵌入式处理器将组织好的时钟同步帧写入ELS帧发送缓冲区中时，将时钟同步帧发送标志寄存器置为有效，所述调度器获取时钟同步帧发送标志寄存器状态，当识别到状态为有效时，优先从ELS帧发送缓冲区将时钟同步帧取出并经由MAC发送至网络；

所述时钟同步帧发送指针寄存器用以标识时钟同步帧在ELS帧发送缓冲区中的指针位置，当时钟同步帧发送标志寄存器状态为有效时，所述调度器按照时钟同步帧发送指针寄存器所标识的指针位置从ELS帧发送缓冲区中将时钟同步帧取出并以最高优先级提交给MAC；

ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组用以记录当前ELS帧接收缓冲区中所有数据帧的到达时间，数据帧包括普通ELS帧和时钟同步帧，基于ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组实现时钟同步信息接收过程中的守时操作和时钟偏差校准操作，从而确保时钟同步帧从网络接口接收时刻到嵌入式处理器读取时刻的时钟偏差校准精度；

所述外部主处理器通过主机接口控制单元实现对时钟同步帧发送标志寄存器、时钟同步帧发送指针寄存器和中断处理单元的读/写访问；

所述嵌入式处理器控制时钟同步帧发送标志寄存器、时钟同步帧发送指针寄存器和定时器，完成时钟同步帧的组织与收发操作，实现时钟同步管理、设备管理和通信管理功能；

所述调度器对时钟同步帧发送指针寄存器进行维护。

主处理器通过主机接口与网络通信端口进行时钟同步信息和中断信息的交互，完成授时与取时操作，本申请通过嵌入式处理器实现时钟同步管理、设备管理和通信管理功能，网络通信端口内部嵌入式处理器与外部主处理器之间通过信息交互区进行相关时钟信息和管理信息的交互。通过内部硬件定时器实现时钟信息发送和接收过程中的守时操作和时钟偏差校准操作，定义时钟同步帧发送标志寄存器和时钟同步帧发送指针寄存器，确保时钟同步帧实时发送至网络时的时间准确性；定义ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组，确保时钟同步帧从网络接口接收时刻到嵌入式处理器读取时刻的时钟偏差校准精度。从而实现了当网络通信端口为时钟服务器时，时钟同步信息从主机写入到网络端口发出过程中的时间准确性，以及当网络通信端口为时钟客户端时，时钟同步帧从网络端口输入到主机接口读取过程中的时间准确性。

如图2所示，当网络通信端口作为时钟服务器时，实现时钟同步帧的发送功能时：

外部主处理器通过主机接口控制单元将当前时钟值写入信息交互区，同时向中断处理单元上报授时中断；

嵌入式处理器接收到主处理器下发的授时中断，启动第一定时器进行步进计数，以实现时钟服务器端时钟同步信息从主处理器授时刻到嵌入式处理器完成组帧时刻的守时操作，从信息交互区读取主处理器设置的时钟值；

嵌入式处理器接收到第二定时器上报的同步周期到达中断时，进行时钟同步帧的组帧操作，基于主处理器设置的时钟值和第一定时器中的步进值计算出当前的时钟值并填入时钟同步帧内部；将时钟同步帧写入ELS帧发送缓冲区当中，同时将时钟同步帧发送标志寄存器置为有效，在时钟同步帧发送指针寄存器中标识时钟同步帧在ELS帧发送缓冲区中的指针位置；

调度器执行调度操作，将时钟同步帧以最高优先级提交至MAC；

时钟同步帧发送至网络。

如图3所示，当网络通信端口作为时钟客户端时，实现时钟同步帧的接收功能时：

MAC接口接收ELS帧，ELS帧包括网络管理帧和时钟同步帧，每次当接收到ELS帧时向中断处理单元上报ELS消息接收中断，同时将ELS帧写入ELS帧接收缓冲区，网络管理帧和时钟同步帧在ELS帧接收缓冲区顺序排列；

MAC每次接收到ELS帧时，将当前第三定时器中的时间标识值写入ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组中，ELS帧接收缓冲区中第1个ELS帧对应的到达时间为T1，第2个ELS帧对应的到达时间为T2，……，第n个ELS帧对应的到达时间为Tn；

嵌入式处理器接收到ELS消息接收中断后，对ELS帧接收缓冲区中的ELS帧逐个进行读取，判断当前ELS帧是否是时钟同步帧，若ELS帧接收缓冲区中的第m个ELS帧是时钟同步帧，则读取时钟同步帧中标识的时钟值T_frame，读取此时刻第三定时器中的时间值T_syn，从ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组中读取时钟同步帧对应的到达时间值Tm，计算并记录T_frame+T_syn-Tm的值为嵌入式处理器读取到ELS帧接收缓冲区中时钟同步帧时刻的时间值T_mread；此时启动第四定时器，以实现嵌入式处理器读取时钟同步值时刻到主处理器读取时钟同步值时刻的时钟守时操作；将ELS帧接收缓冲区数据到达时间寄存器组中所有剩下的数据到达时间依次减去Tm，第三定时器的时间值减去Tm后继续进行步进操作；

等待外部主处理器端读取时钟信息时的读取时钟中断，若主处理器端需要读取时钟同步信息，则向中断处理单元提交读取时钟中断；

嵌入式处理器响应主处理器的读取时钟中断中断，基于T_mread时钟值和第四定时器中的步进值计算出当前的时钟值，写入信息交互区，并向中断处理单元上报时钟上报中断；

主处理器响应时钟上报中断，从信息交互区中读取当前的时钟值。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。