pcie總線授時卡的使用

pcie總線授時卡的使用

計算機時間基本由網絡時間或主板時鐘芯片提供，導致時間誤差大，在工業控制、數據測量等領域無法完成特定任務。為解決計算機時間誤差較大問題，部分學者提出windows系統下pci總線接口的GPS授時卡。這種方法的不足在于：數據吞吐量、帶寬的限制使得pci總線逐漸被pcie總線授時卡所取代，且GPS授時方式以及美國微軟windows系統無法在國家安全敏感部門使用。針對上述不足，基于國產linuk系統平臺，設計了PCIE總線接口的授時卡，驅動程序以及基本應用軟件。

一、發展歷程

隨著嵌入式技術的飛速發展，嵌入式系統在對大數據量交互方面提出更高需求的同時還對總線傳輸速率以及數據完整性等方面提出了越來越高的要求。雖然過去的十幾年中 PCI 總線在嵌入式領域得到了廣泛的應用，但由于 PCI 總線的并行特性，整體設計難度大，故主流的技術已經成為系統整體性能提升的瓶頸。因此，串行 PCI Express( PCIe)總線標準憑借其高速串行傳送特性以及能夠支持更高的傳輸頻率、無需共享總線帶寬等優勢，經推出就得到了迅速的發展，并開始逐步取代 PCI總線。

二、通訊協議

PCIe總線串行傳輸的特性是通過報文的形式進行傳輸，每個數據報文在PCIe的事務層被封裝成一個或者多個TLP數據包，PCIe設備之間則通過這些數據包進行數據通信。由于TLP的數據包中包含TLP前綴、TLP頭以及TLP摘要等信息，因此，當設備在進行單次數據傳輸(每個報文數據負載長度為 1)時PCIe總線的性能優勢并不明顯，其傳輸速度甚至還不如PCI總線。為了得到更高的傳輸效率，在使用PCIe總線進行數據傳輸時往往需要使用 DMA 的傳輸方式。

PCIe總線技術是取代PCI的第三代 I/O 技術，也稱為 3GIO。PCIe總線是為將來的計算機和通訊平臺定義的一種高性能、通用 I/O 互連總線，在其物理實現上使用了高速差分的方式來實現數據傳輸，與此同時，其端到端的連接方式使得每條PCIe鏈路中只能連接兩個設備，因此相比于 PCI 所有設備共享總線帶寬來說，PCIe 總線具有獨享傳輸通道數據帶寬的特性與PCI總線相比，PCIe 總線主要有下面的技術優勢:

1)       是串行總線，進行點對點傳輸，每個傳輸通道獨享帶寬;

2)支持雙向傳輸模式和數據分通道傳輸模式，支持 x1，x4，x8，x16等模式，x1單向傳輸帶寬可達到250MByte/s，雙向傳輸帶寬更能夠達到500 MByte/s;

3)充分利用先進的點到點互連、基于交換的技術和基于包的協議來實現新的總線性能和特征;

4)對PCI總線具有良好的繼承性，可以保持軟件的繼承和可靠性;

 5)充分利用先進的點到點互連，降低了系統硬件平臺設計的復雜性和難度，從而大大降低了系統的開發制造設計成本，極大地提高系統的性價比和魯棒性。

總線技術的發展的同時對時間同步裝置也提出了更高的要求，新一代的 PCI Express 總線，雖具有速度快、實時性好、可控性佳等優點，但其協議的復雜給開發者帶來了難度。

北斗/GPS 雙模授時方法，結合先進的接口芯片來驅動 PCI Express 總線，利用具有低功耗、實時性強等性能的數字可編程器件（FPGA）來進行電路設計，使得時間同步裝置與PC機之間信息交換變得簡單易用。

三、舉例說明

SYN4632是一款通過總線控制，為計算機、工控機等操作系統提供高精度硬件時鐘的同步卡。該時鐘同步卡采用流水線自動化貼片生產，使用FPGA+ARM框架設計，接收GPS/北斗/PTP/交直流IRIG-B碼等外部參考信號，輸出各種時間頻率信號，提高系統的時間精度和準確度，滿足不同用戶需求。

該時鐘同步卡內置高精度守時時鐘源，當外部參考無效時仍然可以提供高精度授時服務。并配套提供Windows校時管理軟件和各種操作系統的API驅動，實現高精度應用程序授時，具有兼容性強，接口豐富、精度高、穩定性好、功能強、無積累誤差、不受地域氣候等環境條件限制、性價比高、操作簡單、免維護等特點。

產品功能

（1）支持PCIE總線授時，時間精度優于10us；

（2）內置高精度授時型GPS/BD雙模接收機；

（3）外參考失鎖后依靠內置高精度時鐘守時；

（4）支持即插即用（Plug and Play）；

（5）輸出秒脈沖(PPS)時標同步脈沖信號；

（6）Windows/Linux 32位/64位驅動，提供API函數接口；

（7）提供windows上位機校時軟件，對計算機進行自動校時；

（8）可在PCIe總線上提供多種中斷信號；

（9）PCIe總線提供時間信息，GPS、BD衛星顆數，板卡同步狀態等信息；

（10）輸出1PPS和串口TOD（NEMA0183中GPRMC語句，帶經緯度定位信息）；

產品特點

（1）高精密，全自動，無人值守，免維護；

（2）對主要電路部分采用金屬外殼屏蔽，抗干擾能力強；

（3）功耗小，可靠性高,可長期連續穩定工作；

（4）安裝簡便：該產品可直接插入計算機（或工控機）的PCIe擴展槽。

四、應用程序與驅動程序

應用程序與驅動程序設計是系統開發過程中重要的軟件環節，軟件是基于Windows系統開發的，為了降低開發難度，設計中使用WDM進行PCIE驅動功能的開發，應用層程序的開發則使用了VC++6.0。主要包括了設備操作、設備信息、I/O端口讀寫、北斗/GPS/守時時間以及IRIG-B碼解碼時間顯示五個部分組成。設備操作組要包含打開、關閉、退出設備三個部分組成；設備信息組要包含了驅動版本號、DLL版本號、設備號、中斷號及 I/O 基址，這些都是在上電初始化后在打開設備開啟的時候在授時卡驅動程序里面進行自動讀取的，并且PCIE 的配置空間信息如 VendorID、De-vice ID、Revision ID等信息也是在設備開啟的時候自行讀取的；I/O端口讀寫是方便一些管腳的測試，用于端口應用。

使用FPGA來設計基于PCIe總線的數據傳輸，可以省去專用的PCIe接口芯片，降低硬件的設計成本，提高硬件集成度的同時還能利用FPGA的可編程特性提高設計的靈活性與適應性。與此同時，目前很多FPGA 內都嵌入了 PCIe 的硬核，此硬核支持PCIe傳輸的單字讀寫操作以及DMA讀寫操作作，由于PCIe具有一定的協議開銷，其單字傳輸效率不甚理想，因此，本文在 PCIe單字傳輸的基礎上提出了一種基于PCIe接口的DMA傳輸的設計方案，此方案可以穩定快速地實現 PCIe 總線的DMA傳輸。經測試，DMA傳輸方案在傳輸帶寬方面滿足設計要求。