王　軍，韓　力，杜博軍，王　磊，何　昕

(1.蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州　215009; 2.中國(guó)白城兵器實(shí)驗(yàn)中心，吉林 白城　137001;3.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春　130033)

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基于PCI-E總線的北斗導(dǎo)航授時(shí)卡Linux驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

王軍1，3，韓力1，杜博軍2，王磊1，何昕3

(1.蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州215009; 2.中國(guó)白城兵器實(shí)驗(yàn)中心，吉林 白城137001;3.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033)

為提高Linux系統(tǒng)時(shí)間的精確度，設(shè)計(jì)了PCI-Express接口的北斗授時(shí)卡以及驅(qū)動(dòng)程序；授時(shí)卡通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信息接收模塊接收時(shí)間定位信息并輸出至FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)，F(xiàn)PGA利用狀態(tài)機(jī)檢測(cè)出時(shí)間位置信息，并存入IP核創(chuàng)建的虛擬雙口RAM中；當(dāng)PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片接收到讀取當(dāng)前時(shí)間命令時(shí)，將虛擬雙口RAM中時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸至PCI-E總線供上位機(jī)讀?。粚?shí)驗(yàn)編寫(xiě)了Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，包括驅(qū)動(dòng)的編譯、加載，利用圖形界面開(kāi)發(fā)工具GTK+編寫(xiě)授時(shí)測(cè)試軟件；打開(kāi)授時(shí)測(cè)試軟件，通過(guò)指令使能授時(shí)卡PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片硬件中斷，檢測(cè)到FPGA輸出的中斷信號(hào)，測(cè)試軟件進(jìn)去中斷服務(wù)程序讀取PCI-E總線上的時(shí)間信息，并在目標(biāo)欄中顯示；試驗(yàn)結(jié)果證明：在Ubuntu Kylin系統(tǒng)平臺(tái)下授時(shí)測(cè)試軟件運(yùn)行穩(wěn)定、界面簡(jiǎn)潔，且授時(shí)精度達(dá)到100納秒。

Linux；PCI-Express；授時(shí)；FPGA

0　引言

計(jì)算機(jī)時(shí)間基本由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間或主板時(shí)鐘芯片提供，導(dǎo)致時(shí)間誤差大，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)測(cè)量等領(lǐng)域無(wú)法完成特定任務(wù)。為解決計(jì)算機(jī)時(shí)間誤差較大問(wèn)題，部分學(xué)者提出Windows系統(tǒng)下PCI總線接口的GPS授時(shí)卡[1-2]。這種方法的不足在于：數(shù)據(jù)吞吐量、帶寬的限制使得PCI 總線逐漸被PCI-E總線所取代，且GPS授時(shí)方式以及美國(guó)微軟windows系統(tǒng)無(wú)法在國(guó)家安全敏感部門(mén)使用。針對(duì)上述不足，基于國(guó)產(chǎn)Linux系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了PCI-E總線接口的北斗授時(shí)卡、驅(qū)動(dòng)程序以及基本應(yīng)用軟件。

1　PCI-Express授時(shí)卡硬件設(shè)計(jì)

1.1授時(shí)卡總體設(shè)計(jì)

授時(shí)卡總體設(shè)計(jì)了3個(gè)模塊：北斗衛(wèi)星解碼、可編程邏輯器件以及PCI-E驅(qū)動(dòng)，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。北斗衛(wèi)星解碼模塊通過(guò)天線接收北斗衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)，可編程邏輯器件通過(guò)串行通訊模塊接收GPRMC格式碼流，并解出GPRMC碼中的時(shí)間定位信息。PCI-E驅(qū)動(dòng)模塊在接收到計(jì)算機(jī)的命令后讀取雙口RAM中時(shí)間信息，并傳輸?shù)絇CI-E總線上供計(jì)算機(jī)應(yīng)用層軟件獲取[3-5]。

圖1　授時(shí)卡總體設(shè)計(jì)

1.2授時(shí)卡硬件設(shè)計(jì)

可編程邏輯器件FPGA采用Altera公司Cyclone IV系列中的EP4CE22E22C8N，該芯片具有144個(gè)IO端口、36個(gè)RAM塊、2個(gè)PLL鎖相環(huán)、18個(gè)嵌入式乘法器、4種配置方式和AS、JTAG下載調(diào)試接口。北斗衛(wèi)星解碼模塊采用和芯星通 UM220-III 為主芯片，授時(shí)精度可高達(dá)15納秒，與FPGA采用串口通信且有多種波特率可供選擇，只要保證有一顆衛(wèi)星連接正常，芯片就能輸出準(zhǔn)確的時(shí)間信息。PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片采用PLX股份有限公司研發(fā)的PEX8114，支持輸入輸出端口地址映射和ROM的擴(kuò)展，支持硬件和軟件中斷,簡(jiǎn)化了授時(shí)卡硬件程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。授時(shí)卡部分硬件連接圖如圖2所示。

圖2　授時(shí)卡部分硬件連接圖

2　授時(shí)卡Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1授時(shí)卡初始化設(shè)計(jì)

首先通過(guò)模塊初始化函數(shù)對(duì)PCI-E授時(shí)卡進(jìn)行初始化，在系統(tǒng)內(nèi)核中注冊(cè)pcie_driver數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體包括PCI-E驅(qū)動(dòng)模塊名稱、授時(shí)卡驅(qū)動(dòng)號(hào)等信息，然后通過(guò)probe( )函數(shù)使能PCI-E授時(shí)卡，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)對(duì)配置寄存器設(shè)置。然后讀取PCI-E配置信息獲取授時(shí)卡的內(nèi)存基址，調(diào)用ioremap完成配置信息的映射。接著通過(guò)request_region()完成I/O資源的申請(qǐng)，request_irq()完成中斷的申請(qǐng)。最后注冊(cè)字符設(shè)備，通過(guò)file_operations實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)CI-E授時(shí)卡的控制[5]。授時(shí)卡驅(qū)動(dòng)初始化流程如圖3所示。

圖3　授時(shí)卡驅(qū)動(dòng)初始化流程圖

2.2釋放授時(shí)卡模塊

通過(guò)module_exit()函數(shù)釋放授時(shí)卡模塊，主要包括端口釋放、關(guān)閉授時(shí)卡設(shè)備、消除設(shè)備號(hào)和字符設(shè)備的注銷。授時(shí)卡模塊釋放流程如圖4所示。

3　授時(shí)卡測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層測(cè)試軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，利用GTK+函數(shù)庫(kù)編寫(xiě)圖形交互界面[7-8]。 首先初始化GTK+函數(shù)，創(chuàng)建引導(dǎo)窗口，此窗口列出所有PCI-E的設(shè)備編號(hào)。輸入北斗授時(shí)卡設(shè)備號(hào)進(jìn)入主窗口，此窗口顯示授時(shí)卡的基本信息，同時(shí)檢測(cè)窗口“中斷打開(kāi)”按鈕事件。當(dāng)事件發(fā)生，使能外部硬件中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序進(jìn)行時(shí)間信息的讀取并顯示。授時(shí)卡測(cè)試軟件總體流程如圖5所示。

圖4　釋放授時(shí)卡流程圖　圖5　授時(shí)卡測(cè)試軟件總體流程圖

3.1窗口模塊軟件設(shè)計(jì)

窗口作為用戶直接操作對(duì)象，首先通過(guò)gtk_window_new()函數(shù)新建PCI-E設(shè)備列表窗口，利用窗口設(shè)置函數(shù)對(duì)窗口大小、位置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。完成后窗口建立后，通過(guò)PCI-E驅(qū)動(dòng)函數(shù)打開(kāi)PCI-E設(shè)備獲取授時(shí)卡設(shè)備號(hào)，并在窗口文本框中顯示。通過(guò)gtk_button_new_with_label函數(shù)新建進(jìn)入時(shí)間顯示界面按鈕控件，當(dāng)檢測(cè)到按鍵的點(diǎn)擊事件，則會(huì)通過(guò)g_signal_connect()函數(shù)調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)入授時(shí)卡時(shí)間顯示界面，否則一直在gtk_main()函數(shù)循環(huán)等待控件觸發(fā)事件，流程如圖6所示。

3.2中斷模塊軟件設(shè)計(jì)

進(jìn)入時(shí)間顯示界面后，通過(guò)“中斷打開(kāi)”按鈕調(diào)用中斷打開(kāi)程序，將授時(shí)卡PCI-E驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)置為外部硬件中斷，當(dāng)檢測(cè)到FPGA的中斷后，進(jìn)入中斷子程序。中斷子程序包括對(duì)存放時(shí)間存儲(chǔ)器的讀取，將讀取的時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為可顯示字符串在時(shí)間文本欄顯示，流程如圖7所示。

圖6　窗口模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖　圖7　中斷模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

4　測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)采用華碩主板，操作系統(tǒng)為Ubuntu Kylin 15.04，內(nèi)核版本Linux 3.19.0。打開(kāi)終端，使用su -命令獲取超級(jí)用戶權(quán)限，然后使用cd命令進(jìn)入授時(shí)卡驅(qū)動(dòng)文件夾下使用make命令編譯，驅(qū)動(dòng)編譯命令如圖8所示。

圖8　驅(qū)動(dòng)編譯命令圖

在沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，文件夾下會(huì)產(chǎn)生多個(gè)文件，使用insmod命令將驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中，驅(qū)動(dòng)加載命令如圖9所示，并且通過(guò)lsmod檢測(cè)授時(shí)卡驅(qū)動(dòng)是否加載到系統(tǒng)內(nèi)核中，驅(qū)動(dòng)模塊顯示命令如圖10所示。

圖9　驅(qū)動(dòng)加載命令圖

圖10　驅(qū)動(dòng)模塊顯示命令圖

當(dāng)看到PCIE授時(shí)卡的驅(qū)動(dòng)在列表中，進(jìn)入應(yīng)用軟件文件夾下對(duì)軟件程序進(jìn)行編譯，編譯命令如圖11所示。

圖11　應(yīng)用軟件編譯命令圖

編譯沒(méi)有錯(cuò)誤后，可以使用./DEMO_GUI_GTK運(yùn)行可執(zhí)行文件，也可以直接雙擊可執(zhí)行性文件打開(kāi)，此時(shí)顯示圖12應(yīng)用測(cè)試軟件的主界面。從主界面中能夠查詢硬件商和設(shè)備編碼，以及I/O和寄存器基址。點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕打開(kāi)授時(shí)卡中斷，狀態(tài)欄顯示on狀態(tài)表示設(shè)備中斷打開(kāi)，點(diǎn)擊“顯示”按鈕就能顯示標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間。

圖12　授時(shí)卡應(yīng)用軟件主界面

使用Tektronix公司的TDS-2014C示波器檢測(cè)北斗衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)秒頭與授時(shí)卡授時(shí)秒頭誤差50納秒，波形如圖13所示。

圖13　授時(shí)秒頭與標(biāo)準(zhǔn)秒頭波形圖

5　結(jié)論

Linux系統(tǒng)下設(shè)計(jì)的北斗PCI-E授時(shí)卡克服了GPS授時(shí)安全問(wèn)題，擁有授時(shí)精度高、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。采用C語(yǔ)言和GTK+函數(shù)庫(kù)編寫(xiě)授時(shí)卡的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件，通過(guò)了GCC編譯，運(yùn)行穩(wěn)定，代碼在Linux系統(tǒng)下有很高的移植性，也為其他PCIE設(shè)備在國(guó)家安全部門(mén)Linux系統(tǒng)下運(yùn)行提供了一種方法。

[1] 劉軍良，胡永輝，候雷．基于PCI總線的GPS授時(shí)卡設(shè)計(jì) [J]．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008(s2)：122-127．

[2] 趙志雄，李孝輝，劉婭，等．PCI總線的高精度大量程時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器研制[J]．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28(12)：1317-1323．

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Design and Implementation of Driver of Beidou Navigation Timing Card under Linux PCI-E

Wang Jun1,3,Han Li1,Du Bojun2,Wang Lei1,He Xin3

(1.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou215009,China；2.Bai Cheng Ordnance Test Center of China,Baicheng137001,China； 3.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)

To improve the time accuracy of Linux system,a Beidou timing card driver under PCI-Express interface is designed. Timing card transmits time and location information to the FPGA (Field-Programmable Gate Array) by Beidou satellite navigation receiver module. FPGA decodes time and location information by using state machine,and creates a virtual double port RAM to store data by using IP core. When the PCI-E driver chip receives a command to read the current time,time data will be read from virtual dual-port RAM and transmit to PCI-E bus for the host computer. It programs timing card drivers for Linux including the driver compilation and loading,uses GTK+ graphical interface development tools to programming test software. Opening software and sending command to enable PCI-E driver chip hardware interrupt,when an interrupt signal output from the FPGA is found,the software runs interrupt service process will be tested and the time information on the PCI-E bus will be read and displayed in the column. Test results show that: software is stable and the interface is simple,and the timing error is 100 ns under Ubuntu Kylin system platform.

Linux; PCI-Express; timing; FPGA

1671-4598(2016)04-0115-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.034

TP31

A

2015-10-12；

2015-11-14。

王軍(1979-)，男，江蘇徐州人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事光電測(cè)控技術(shù)與儀器方向研究。