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基于动态可重构总线的新型时间同步方法.docx
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基于动态可重构总线的新型时间同步方法.docx
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1. 引言
随着嵌入式系统的研究越来越深入和广泛,多个主设备共享总线的情况越来越多,急
需解决各个主设备之间的资源争用问题.总线仲裁技术由此提出,为系统中的各个主设备合
理分配总线资源,解决总线中的冲突与竞争问题
[1]
,实现总线仲裁的前提是各个设备在统
一的时间标准下工作,需要保障系统内节点的时间同步;在工业控制以及科学计算领域,
对嵌入式系统的时间确定性要求越来越高
[2]
,需要实现系统内节点的高精度同步,必须解
决节点间的时间同步问题.如何实现系统内各个节点的时间同步成为一个重要的研究课题.系
统的组织结构、规模、功能不同,对于时间精度的要求就不同.整个系统内需要在相同的时
间基础下工作,因此各节点之间的时间统一具有必要性
[3]
.
时间同步由于其重要性和难度而被广泛研究.许多时间同步协议应运而生, 基于 IEEE
1588 的精确时钟同步协议(Precise Time Protocol, PTP), 在该协议指导下的时钟同步精度能
够达到亚微妙级
[4-6]
;基于无线传感器网络中广泛使用的参考广播同步协议(RBS),Shushant
Jain 等对此协议做出改进,时间同步精度达到微妙级
[7-9]
;以及洪泛时间同步协议(FTSP)
[10]
等.虽然以上的时间同步协议得到广泛应用,但由于动态可重构总线 UM-BUS 规模较小,
对时间精度的要求高,现有的时间同步协议无法满足总线的需要.
本文针对 UM-BUS 总线提出一种新型时间同步方法:(1)多个时间主节点通过竞争选
取出一个当班时间主节点.(2)当班时间主节点进行周期性广播时间消息,其余节点对收到的
时间值通过计算出的传输延迟进行“修正”后校正自己的本地时钟;此方法解决了单点失效
问题,可支持总线的动态接入特性,其时钟同步精度可以达到纳秒级.
2. 动态可重构总线
动态可重构总线(UM-BUS)采用节点互连方式,其拓扑结构如图 1,最多可连接 30 个
节点设备,总线上的节点可分为主节点和从节点.主节点的地址范围为 0~7,从节点的地址
范围为 1~30
[11]
.
图 1 UM-BUS 总线拓扑结构
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总线支持消息中断和共享信号线中断两种中断请求机制.消息中断采用 UM-BUS 总线
通信命令应答协议,用于总线上主控节点向其它主控节点申请中断服务.共享信号线中断采
用编码方式在共享信号线上进行中断请求信息的传送与仲裁,支持总线上所有节点向各个
主控节点申请中断服务.中断请求向量是 UM-BUS 总线共享信号线中断进行中断申请时传
送的唯一信息,如表 1 所示,共享信号线中断为每一个总线节点提供 8 种中断请求事件和
两种优先级支持,8 个中断事件中,中断事件 0 可称为时间中断,用于于总线时间主节点
竞争,中断事件 1 称为接入中断,可用于总线节点动态接入
[12]
.
表 1 UM-BUS 共享信号线中断请求向量
位名称
起始位
优先级选择
中断事件
源节点号
目标节点
数据字节
校验位
停止位
位数/位
1
1
3
5
8
8
1
1
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UM-BUS 总线具有通道故障检测能力,节点最多可支持 32 条通道.总线具有容错能
力,一旦通道出现故障,可通过通道动态冗余及故障重构技术自动屏蔽故障通道,在剩余
健康通道上继续通信.总线通道故障检测方法如图 2 所示,通过三次握手过程完成检测.如
果检测发起者收到检测响应包则认为两节点间的通路是可用的,如果检测响应者收到线路
确认包则认为两节点间的通道是健康的,因而两节点便各自维持了一张健康通道状态表
[13]
.
图 2 链路检测过程
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总线多主模式下使用可变时隙轮转方法实现总线资源的仲裁,此方法为每个主节点分
配仲裁时隙,主节点等待自己的仲裁时隙到来后占用总线资源,停止时隙轮转,开始时隙
扩展发起通信.如图 3,将总线时间分为 0~3 个仲裁时隙,每个时隙有 100 个总线位时,当
班时间主节点计满广播周期后,在下个 0 号时隙的第 20 位时停止时隙轮转并开始扩展时
隙,发送校时命令完成之后,置时隙计数器的值为 0,时隙计时器并从 20 位时重新开始时
隙轮转.此方法对系统内节点间的时间精度有较高的要求,急需解决节点间的时间同步问题.
图 3 时隙轮转模型图
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3. 动态可重构总线时间同步方法
为了满足 UM_BUS 总线多主工作模式对时间精度的要求,并且支持节点动态接入特
性,本文设计了一种时间同步方法:时间主节点竞争当班时间主节点成功后周期性的广播
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