【正文】 從最初的V1版本到現(xiàn)在的V4版本已經(jīng)變的越發(fā)穩(wěn)定，支持的RFC有RFC95RFC111RFC1165及RFC1305。下表是對(duì)NTP協(xié)議報(bào)文的解析：表21 UDP分組中的NTP信息 The NTP information in UDP packet258162432bitLIVNModeStratumFollFrecisionRoot DelayRoot DispersionReference IdentifierReference timestamp(64)Originate Timestamp(64)Receive Timestamp(64)Transmit Timestamp(64)Key Identifier(optional)(32)Massage digest(optional)(128)l LI：跳躍指示器，警告在當(dāng)月最后一天的最終時(shí)刻插入的迫近閨秒（閨秒）。 l Mode：模式。 l Poll：有符號(hào)整數(shù)表示連續(xù)信息間的最大間隔。 l Root Delay：有符號(hào)固定點(diǎn)序號(hào)表示主要參考源的總延遲，很短時(shí)間內(nèi)的位15到16間的分段點(diǎn)。 l Reference Identifier：識(shí)別特殊參考源。 l Receive Timestamp：這是向服務(wù)器請(qǐng)求到達(dá)客戶機(jī)的時(shí)間，采用64位時(shí)標(biāo)（Timestamp）格式。 l Authenticator（Optional）：當(dāng)實(shí)現(xiàn)了 NTP 認(rèn)證模式,主要標(biāo)識(shí)符和信息數(shù)字域就包括已定義的信息認(rèn)證代碼（MAC）信息。由于延遲不準(zhǔn)確，所以無法依靠從時(shí)間服務(wù)器到客戶機(jī)的單邊傳輸來傳遞精確的時(shí)間信息。圖22顯示了用這種方法確定延遲和偏移的基本原理。假設(shè)： 。由于在網(wǎng)絡(luò)傳輸中分組傳輸?shù)牧髁坎淮_定，可能時(shí)大時(shí)小，而且通常是以突發(fā)的方式到達(dá)客戶機(jī)，所以傳輸延遲不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程。在圖22中，B相對(duì)于A的真實(shí)時(shí)間偏移是θ。由于x必須為正，即有，所以。每一條NTP消息都包含最新的3個(gè)時(shí)間戳，第4個(gè)時(shí)間戳則由消息的到達(dá)時(shí)刻確定。這種對(duì)稱的連續(xù)采樣的時(shí)間傳輸方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)發(fā)送和接受的消息的順序沒有要求，因此不需要可靠的傳輸途徑。 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)的層狀結(jié)構(gòu)時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)理論上根據(jù)其精確度和重要性一般分為從015的16個(gè)級(jí)別或更多級(jí)，實(shí)際應(yīng)用上不會(huì)大于6級(jí)。時(shí)間的分配自級(jí)別編碼小的層次向較大的層次進(jìn)行，即由第0級(jí)向第15級(jí)分配滲透。子網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以扮演多重角色。這里對(duì)等機(jī)的含義是相互用 NTP 進(jìn)行同步的計(jì)算設(shè)備。 現(xiàn)在，國(guó)外普遍使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議和簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議提供時(shí)鐘同步服務(wù)。不少公司機(jī)構(gòu)已經(jīng)能夠提供時(shí)鐘同步服務(wù)如 BBN，MCI，Sprint，AlterNet，NIST，其中以NIST提供的服務(wù)最為成熟。 NTP的工作模式 NTP協(xié)議支持下列三種對(duì)時(shí)工作模式[8]：(1) 主從模式(Server／Client Mode)：客戶機(jī)向一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器提出服務(wù)請(qǐng)求，建立通信，根據(jù)所交換的信息中的時(shí)間戳，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，從中選擇出最準(zhǔn)確的時(shí)間偏差來調(diào)整客戶機(jī)時(shí)鐘。局域網(wǎng)中的服務(wù)器以固定的時(shí)間周期向某個(gè)多播地址廣播自己的時(shí)刻，客戶端直接用接收到的時(shí)刻修正自己的時(shí)鐘，而不計(jì)算時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，并忽略網(wǎng)絡(luò)中及本地的各種誤差。上述三種方式，時(shí)間信息的傳輸都使用UDP協(xié)議。在收到上述包后即可計(jì)算出時(shí)間的偏差量與傳遞資料的時(shí)間延遲。僅從一個(gè)時(shí)間服務(wù)器獲得校時(shí)信息，不能校正通訊過程所造成的時(shí)間偏差，而同時(shí)與許多時(shí)間服務(wù)器通信校時(shí)，就可利用過濾算法找出相對(duì)較可靠的時(shí)間來源，然后采用它的時(shí)間來校時(shí)。按照離外部UTC源的遠(yuǎn)近將所有服務(wù)器歸入不同的Stratum（層）中。所有這些服務(wù)器在邏輯上形階梯式的架構(gòu)相互連接，而Stratum1的時(shí)間服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。二者在衛(wèi)星上都放有高性能的星載原子鐘，并且都采用“測(cè)時(shí)—測(cè)距”體制，路徑時(shí)延的測(cè)量時(shí)測(cè)距和導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，因此具備高精度的授時(shí)功能。同期，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）提出了GPS共視方法，是的時(shí)間同步的精準(zhǔn)達(dá)到納秒級(jí)。由三大部分構(gòu)成：GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控部分（控制部分）和GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶部分）。GPS星座注入信號(hào)GPS信號(hào)GPS信號(hào)GPS信號(hào)接收機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)圖 24 GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)構(gòu)成圖 GPS global satellite positioning system structure diagramGPS衛(wèi)星主要有三個(gè)作用：意識(shí)向用戶連續(xù)發(fā)送GPS信號(hào)，在導(dǎo)航電文中報(bào)告自己的現(xiàn)在為止以及其他在軌衛(wèi)星的概略位置；而是接收地面注入站發(fā)送給他的衛(wèi)星導(dǎo)航電文和其他相關(guān)信息，并形成GPS信號(hào)；三十接收地面主控站通過注入站發(fā)送的衛(wèi)星調(diào)度命令。定位時(shí)，為了解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)，至少需要觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，這4顆衛(wèi)星稱為定位星座，它們?cè)谟^測(cè)過程中的空間位置分布(幾何結(jié)構(gòu))的優(yōu)劣，對(duì)定位精度有一定的影響。先利用GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步具有同步精度相對(duì)較高，時(shí)刻同步精度可以達(dá)到納秒級(jí)，頻率校正精度可以達(dá)到1012量級(jí)，雖然在實(shí)際中相比于采用上述各途徑的雙向時(shí)間同步法稍遜一籌或不相上下，但是這樣的同步精度在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)屬于高精度了，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以滿足大多數(shù)高精度同步應(yīng)用了。 GPS授時(shí)原理GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的授時(shí)原理：GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的空間衛(wèi)星分布，通過原子時(shí)鐘源獲得時(shí)鐘后，轉(zhuǎn)換為UTC時(shí)間系統(tǒng)，通過發(fā)送電文與地面監(jiān)控部分、用戶接受及部分建立通信，解碼出精確時(shí)鐘與精準(zhǔn)的頻率，通過相應(yīng)的硬件干涉或軟件調(diào)整機(jī)制，對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行精確授時(shí)。GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)可通過GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的廣播星歷獲知，接收機(jī)的坐標(biāo)則可通過大地測(cè)量獲得。偽距離的失真主要由以下2個(gè)因素造成；(1) 接收機(jī)與GPS衛(wèi)星的不同步造成了傳輸時(shí)延的測(cè)算誤差；(2) GPS信號(hào)在穿越電離層和大氣對(duì)流層時(shí)，傳播速度會(huì)發(fā)生變化，不再等于真空光速，從而造成傳播速度的誤差。高級(jí)的雙頻GPS接收機(jī)還可通過雙頻段測(cè)量的方式更為精確地修正電離層誤差。c為真空光速?！鳛橐螂婋x層和對(duì)流層速度變化引起的距離測(cè)量誤差。衛(wèi)星鐘相對(duì)于“真實(shí)時(shí)間”的誤差可通過導(dǎo)航電文中的時(shí)間參數(shù)修正。△1(t1)和△2(t1)是電離層和對(duì)流層修正參數(shù)，可通過導(dǎo)航電文中的參數(shù)推算出來。一個(gè)最小的嵌入式系統(tǒng)的基本組成為：(1) 一個(gè)用作引導(dǎo)的可用設(shè)施（工具）；(2) 一個(gè)具備內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和定時(shí)器服務(wù)的linux微內(nèi)核；(3) 一個(gè)初始進(jìn)程；(4) 硬件的驅(qū)動(dòng)程序；(5) 一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)用進(jìn)程以提供必要的應(yīng)用功效。面向PC機(jī)的linux型發(fā)布版有很多，功能根本用不上，甚至超出了一個(gè)PC用戶的需求。下面對(duì)嵌入式linux操作系統(tǒng)與專用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的比較如下。但它還可以使用另外一種方式：linux有裝載和卸載程序的能力，所有應(yīng)用程序以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng)中并在必要的時(shí)候被裝載到內(nèi)存中，以節(jié)省RAM。這將允許它向另一臺(tái)正運(yùn)行著gdb程序的linux主機(jī)通信；gdb通過串口與測(cè)試計(jì)算機(jī)上的gdb目標(biāo)碼會(huì)話并給出全部C源碼級(jí)的調(diào)試信息；(2) 借助gdb執(zhí)行余下的，直到linux內(nèi)核開始接管之前的所有硬件和軟件的初始化代碼；(3) 一旦linux內(nèi)核啟動(dòng)后，上述的串口就成為linux的控制臺(tái)端口，可以利用它的便利來進(jìn)行后繼開發(fā)過程，并可以使用gdb的內(nèi)核調(diào)試版本kgdb。大部分的內(nèi)核代碼都是相同的，因?yàn)樗鼈兣c微處理器無關(guān)，所以，移植的工作多集中在一些存儲(chǔ)器管理及中斷處理程序上。 本章主要介紹了本設(shè)計(jì)所涉及到的主要技術(shù)，其中包括NTP協(xié)議的原理，工作模式，報(bào)文分析，以及GPS時(shí)間同步，授時(shí)原理和嵌入式linux操作系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的四個(gè)階段如圖31 所示需求分析體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)選擇開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試產(chǎn)品圖 31 嵌入式開發(fā)流程圖 The flow chart of embedded development 需求分析階段(1) 需求分析階段是在項(xiàng)目開始時(shí)了解項(xiàng)目的情況，首先羅列出需求：a 系統(tǒng)所做任務(wù)；b 系統(tǒng)從用戶或從其他源接受什么輸入；c 系統(tǒng)向用戶或其他源輸出什么；d 系統(tǒng)是否需要接外設(shè)；e 系統(tǒng)處理那些數(shù)據(jù)；f 系統(tǒng)是否用于網(wǎng)絡(luò)；(2) 確定硬件和軟件：a 處理器；b 操作系統(tǒng)；c 編程語言；(3) 經(jīng)過上述確定設(shè)計(jì)任務(wù)和目標(biāo)，系統(tǒng)的需求有兩方面，一是功能性需求，如輸入輸出信號(hào)、操作方式；二是非功能性需求，如系統(tǒng)性能、成本、功耗等。(1) 審查資料和約束條件，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)前，仔細(xì)的審查問題和需求；根據(jù)限制條件來建立系統(tǒng)。(3) 硬件和軟件的設(shè)計(jì)順序，根據(jù)項(xiàng)目的要求、進(jìn)度和約束條件判斷是先設(shè)計(jì)硬件、軟硬件同事設(shè)計(jì)還是先設(shè)計(jì)軟件。 測(cè)試階段對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看是否滿足需求中的功能要求。 服務(wù)器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是為了滿足嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)要滿足在系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)對(duì)接或系統(tǒng)嵌套等情況，因此需要滿足兩個(gè)條件：(1) NTP服務(wù)器的全部系統(tǒng)統(tǒng)一于一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)鐘；(2) NTP服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)全部遵從于同一個(gè)時(shí)間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理及控制核心部分與網(wǎng)絡(luò)接口連接，通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接。服務(wù)器通過編程設(shè)計(jì)，運(yùn)行在廣播模式（主動(dòng)發(fā)送消息）和主從模式（C/S模式，響應(yīng)客戶端的授時(shí)請(qǐng)求）的兩種模式中，以TCP/IP協(xié)議通訊方式，實(shí)現(xiàn)NTP協(xié)議的精確授時(shí)服務(wù)。我們應(yīng)用最小化系統(tǒng)[19]的理念來進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的服務(wù)器硬件設(shè)備由GPS時(shí)鐘源部分、數(shù)據(jù)處理及控制部分、網(wǎng)絡(luò)接口部分3個(gè)部分及各個(gè)相應(yīng)的外圍電路組成。網(wǎng)絡(luò)接口部分GPS時(shí)鐘源數(shù)據(jù)處理及控制部分圖 32 最小化的NTP授時(shí)服務(wù)器組成框圖 Block diagram of the grant minimized NTP server其中GPS時(shí)鐘源部分包括GSP衛(wèi)星模塊和時(shí)鐘源模塊，用于接收含有精確時(shí)鐘信息的衛(wèi)星信號(hào)，并將衛(wèi)星信號(hào)中的精確時(shí)鐘信息轉(zhuǎn)變成精確的時(shí)間數(shù)據(jù)；自帶較為精確的晶振時(shí)鐘源，為了防止無法接受GPS信號(hào)情況下授時(shí)。網(wǎng)絡(luò)接口包括用于支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)接口處理器及接口。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理部分以嵌入式系統(tǒng)作為核心，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板上搭載GPS衛(wèi)星信號(hào)接收部分、網(wǎng)絡(luò)接口。由GPS信號(hào)接收部分接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過外圍接口電路將數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理及控制部分；數(shù)據(jù)處理及控制部分對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理形成NTP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)。 嵌入式硬件平臺(tái)的選擇嵌入式開發(fā)的硬件平臺(tái)選擇主要是嵌入式處理器的選擇[20]。在確定使用的嵌入式處理器內(nèi)核以后，接下來就是結(jié)合系統(tǒng)的外圍設(shè)備的情況來確定合適的處理器。除此之外，需要考慮到處理器的尋址空間，有無片上FLASH處理器，處理器是否容易調(diào)試等相關(guān)信息[22]。在設(shè)計(jì)中考慮靠成本問題。 嵌入式系統(tǒng)的選擇完成簡(jiǎn)單的功能的嵌入式系統(tǒng)一般來說不需要操作系統(tǒng)，只要利用軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制即可[23]，當(dāng)嵌入式的系統(tǒng)應(yīng)用比較龐大，需要進(jìn)行多任務(wù)處理和調(diào)度時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)就不可缺少了。但是范例仍然有著細(xì)節(jié)的問題，并不是別人成功了，你就能成功的。如在線仿真（ICE）、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等都對(duì)操作系統(tǒng)有著不同程度上的影響。(3) 能夠滿足應(yīng)用的需求有的操作系統(tǒng)的代碼很小只有幾KB，這樣節(jié)省了系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間，在對(duì)成本的考慮上有了很重要的價(jià)值?？紤]到以上的幾點(diǎn)，為了滿足嵌入式NTP服務(wù)器能夠?yàn)榫钟蚓W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行授時(shí)服務(wù)的條件下，我在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選用了linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。4 NTP服務(wù)器硬件平臺(tái)本系統(tǒng)總設(shè)計(jì)中所給出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括GPS時(shí)鐘源部分、數(shù)據(jù)處理及控制部分、網(wǎng)絡(luò)接口部分3各部分。FLASHDRAM本次設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)最小化原則，將系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[25]，本系統(tǒng)專用于對(duì)外提供NTP授時(shí)服務(wù)。服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。所使用GPS接模塊的串口通信協(xié)議為：串口的傳輸率可調(diào)，默認(rèn)值為4800bps。GPS板輸出的數(shù)據(jù)是以美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electromcs Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)的。另外，GPS還可直接輸出秒脈沖(1PPS)，其精度高達(dá)177。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，采用從GPS的串行接口輸出信號(hào)出分離時(shí)鐘信號(hào)的方式來獲取標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間。2) 定位狀態(tài)，A = 數(shù)據(jù)可用，V = 數(shù)據(jù)不可用。4) 緯度區(qū)分，北半球（N）或南半球（S）。6) 經(jīng)度區(qū)分，東（E）半球或西（W）半球。實(shí)際值。10) 磁極變量， 。12) Checksum.(檢查位)這條輸出數(shù)據(jù)有系統(tǒng)需要的時(shí)間及日期信息，另外還有以下常用的數(shù)據(jù)信息：$GPGGA,N,E,1,08,M,0000*35$GPVTG,T,M,N,K*50讀取時(shí)間日期后通過串口發(fā)送給開發(fā)板，進(jìn)行時(shí)間的校對(duì)與修改。(1) 微處理器部分選用基于ARM11內(nèi)核的S3C6410微處理器[27]S3C6410是基于SAMSUNG的16/32位RSIC微處理器S3C6410X的一款開發(fā)平臺(tái)，S3C6410X是基于ARM1176JZFS核的用于手持、移動(dòng)等終端設(shè)備的通用處理器。采用64/32bit的內(nèi)部總線架構(gòu)，融合了AXI、AHB、APB總線。一個(gè)集成的MFC(MultiFormat video Codec)支持MPEG4 ，這個(gè)硬件編解碼器支持實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議以及NRSC和PAL制式的TV輸出。S3C6410包括優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。DRAM端口可以通過配置來支持Mobile DDR、DDR、Mobile SDRAM、SDR