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    2 动态高精度时钟设计和实现

    动态高精度时钟设计方案借鉴了KURT-Linux思想,但与其不同的是提供一个与标准Linux核心时钟并行的具有精密刻度的实时时钟,并与原核心时钟区别开。采用X86体系CPU提供的TSC作为高精度的时间标度,权衡一定时间段(如一个jiffies)内高精度定时器的数量,设置Linux时钟中断模式为标准模式、one-shot模式或高频周期时钟模式。实现了μs级定时精度的同时,降低了频繁计算和设置时钟芯片的时间代价。

    下面给出关键的全局变量:

    (1)time_mode:表示当前时钟工作模式。其中-1代表高频周期时钟模式,该模式下,根据需要达到的定时精度,设置时钟芯片以较高的频率产生周期性中断;0代表标准模式,时钟芯片以标准Linux默认的频率产生周期中断;1代表one-shot模式,时钟芯片被设置为单次触发状态,即每次给时钟芯片设置一个超时时间,超时事件发生时,在时钟中断处理程序中根据需要再次给时钟芯片设置一个超时时间。系统启动时设置为默认值0。

    (2)SCALE:时钟精度提高比。设置高频周期模式需要的参数,用来表示所需要达到的时钟精度相对普通Linux时钟精度的提高倍数。

    (3)Threshold:阈值。如果即将在某一时间段内超时的实时定时器数量大于预设值,系统设置硬件定时器工作在高频周期时钟模式。

    2.1 时钟中断处理

    为了加强Linux的实时功能,同时又要保持Linux的完整性,本方案的动态多模式时钟机制以模块化的方式实现有关实时部分的功能,并利用接口函数实现实时模块与Linux核心的联系。

    (1)标准模式。标准模式下的中断处理首先查询实时定时器队列中是否有实时定时器在下一个系统时钟中断(jiffies+1)之前超时,即在(jiffies,jiffies+1)内是否有实时定时器要处理,根据实时定时器数量设置时钟芯片的工作模式,执行do_timer_interrupt()等函数维护系统相关时间,标记下半部。

    (2)one_shot模式。one-shot模式下的中断处理先判断jiffies时钟是否到期,如果到期:

    ①查询实时定时器队列中是否有实时定时器在下一个系统时钟中断(tick+1)之前超时,即在(jiffies,jiffies+1)内有实时定时器要处理(其超时时间用sub_jiffies表示),然后根据实时定时器数量设置时钟芯片工作模式。

    ②执行do_timer_interrupt()函数等维护与系统有关的时间,并标记下半部。

    如果jiffies时钟未到期,则查询实时定时器链表,根据其最早超时实时定时器的超时时间与当前时间的差值设置时钟芯片产生下一次中断的时间。

    (3)高频周期时钟模式。高频周期模式下中断处理先判断jiffies时钟是否到期,如果系统时钟节拍到期,执行上述①、②模式。否则,如果有实时定时器超时,标记中断下半部;如果没有实时定时器超时则直接返回。

    对超时定时器的处理都留到时钟中断下半部(softirq)处理,超时的实时定时器优先得到处理,以尽可能保证实时定时器的及时处理,随后处理普通Linux的定时器,时钟中断处理过程如图1所示。

    jishu_1908411_1_1.html

    2.2 定时器组织

    普通Linux系统原有的粗粒度定时器对于内核的稳定和不要求高精度定时的非实时应用仍是合适的,只是针对有高精度定时要求的实时应用组织一个高精度定时器队列HRT_list,队列中的定时器按超时时间非降序排列,队列中第一个定时器的超时时间就是队列的最早超时时间。

    原Linux内核中的定时器是通过称为CTW(Cascading Timer Wheel)的结构管理和维护,并因此使得对定时器的插入、删除等操作的时间为0(1)。本文把HRT_list队列和CTW结合起来以降低定时器处理时间、提高效率。把需要较长时间才超时的实时定时器仍旧插入到原定时器队列中,借助该队列维护。在每次系统时钟中断处理的下半部处理完超时的实时定时器后,把在下一次系统时钟中断前超时的高精度定时器从原队列移除,并插入到HRT_list队列中。因此,HRT_list队列中所需要维护的高精度实时定时器也是有限的,避免了维护一个大规模定时器队列的开销,近似实现了0(1)的系统开销。

    3 性能分析与测试

    3.1 性能分析

    当系统中没有高精度定时器时,PIT仍以Linux系统默认的频率触发时钟中断,在每一次系统时钟中断处理过程中,只需要判断工作模式以及下一次jiffies中断前有否实时定时器超时,经测试由此而带来的处理时间不超过1us,增加系统负担<0.1%,不会影响系统的性能。当在某个时间段内系统中实时定时器不多于阈值时,系统时钟工作在类似KURT-Linux的one-shot模式,同时维持普通Linux系统时钟的稳定。而由此而带来的系统负担是可以接受的[3]。

    当系统中存在大量实时定时器或在某个时间段内即将超时的实时定时器数量超过一定值(阈值)时,相对于one-shot模式需要频繁地计算下次中断时间,并重新编程在低速的ISA总线上的PIT的时间代价是可取的,证明如下:

    用Thw表示中断的硬件处理时间,Tisr表示中断程序上半部执行时间,n代表某个时段内(一个jiffies内)超时的定时器数量。得到两种模式下总的时钟中断处理时间关系式:

    jishu_1908411_1_1.html

    显然,当某个时段内超时的定时器数量大于Threshold时,采用高频周期模式的时间开销就会小于one-shot模式。

    3.2 模拟测试

    测试环境为Pentium4 3.0 GHz CPU,1GDDR内存的硬件平台和2.6.15.6版本内核的Fedora core linux操作系统平台。

    根据数控实时任务的要求设定了周期为0.1 ms、1 ms和100 ms的进程模拟数控实时周期任务[10],统计运行1 000次的数据,比较改进后的高精度定时器和原linux定时器的平均定时偏差,并令阈值为30,设置周期任务数量为4、20、40,使时钟工作在不同模式下。测试结果如表1所示。

    jishu_1908411_1_1.html

    由测试数据对比,原linux系统的定时平均偏差为968 μs,改进后系统的定时平均偏差为34 ?滋s。显而易见,改进后的定时器定时精度大大提高,达到10 μs级,能满足数控系统应用的要求。

    在原Linux内核和改进后的高精度定时器内核上睡眠50 μs各1 000次,测试实际睡眠时间所得结果与表1类似,50 μs的实际睡眠时间从(2.001~2.116) ms级降到(57~91) μs级。

    全软件数控系统以应用软件的形式实现运动控制,是开放式数控系统的发展方向。开源的Linux是开发具有自主知识产权数控系统的理想平台,但是其粗糙的时钟粒度是普通Linux直接应用于数控系统的最大障碍,因此需要细化Linux的时钟粒度提高其实时性。

    简单地提高系统时钟频率将引起频繁的中断处理,导致系统性能的下降。KURT-Linux采用的one-shot方式将周期性的时钟中断改进为单次触发状态,实现了μs级的定时精度。本文分析了普通Linux时钟机制和几种实时Linux操作系统细化时钟精度的方式,提出了一种混合多种时钟模式的动态时钟机制,达到了CNC要求的时钟精度。最后的性能分析和模拟测试证实了新时钟机制的技术性能。

    参考文献

    [1] 李迪,万加富,叶峰,等.软数控系统混合任务两级调度策略[J].机械工程学报,2008,44(12):157-162.

    [2] 王霞,马忠梅,何小庆,等.提高嵌入式linux时钟精度的方法[J].计算机工程,2006,32(23):70-96.

    [3] 施映,何嘉.KURT-Linux实时性研究及改进策略[J].计算机科学,2006,33(7):417-420.

    [4] 丁一,胡封林,李国宽.高级可编程中断控制系统的研究[J].计算机工程与科学,2005,27(12):97-100.

    [5] 范剑英,吴岩,贾佳,等.Linux2.6实时性分析与改进方案[J].哈尔滨理工大学学报,2008,13(1):24-28.

    [6] 於时才,缪东升,孙华,等.Linux2.6调度系统的分析与改进[J].微计算机信息,2007,24(5-3):252-254.

    [7]周鹏,周明天.linux内核中一种高精度定时器的设计与实现[J].计算机技术与发展,2006,16(4):73-78.

    [8] SRINIVASAN B, PATHER S, HILL R, et al. A firm real-time system implementation using commercial off-the-shelf hardware and free software[R]. rtas. Fourth IEEE Real-Time Technology and Applications Symposium (RTAS’98), 1998.

    [9] 李小群,赵慧斌,叶以民,等.一种基于时钟粒度细化的Linux实时化方案[J].计算机研究与发展,2003,40(5):734-740.

    [10] 姚鑫骅,潘雪增,傅建中,等.数控系统的混合任务模型及其最优调度算法研究[J].浙江大学学报,2006,40(8):1315-1319.

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    SDH通信网络时钟同步服务(NTP/PTP精密网络时钟源)精度分析
    SDH通信网络时钟同步服务(NTP/PTP精密网络时钟源)精度分析
    安徽京准公司提供原创资料!!
    3) 从站时钟要从高一级设备或同一级设备获得基准。
    4) 应从分散路由获得主备用时钟基准,以防止当主用时钟传递链路中断后导致时钟基准丢失的情况。
    5 )选择可用性高的传输系统来传递时钟基准。
    网同步的实现(S1字节的应用)
    在SDH网中,网络定时的路由随时都有可能变化,因而其定时性能也随时可能变化,这就要求网络单元必须有较高的智能从而能决定定时源是否还适用,是否需要搜寻其他更合适的定时源等,以保证低级的时钟只能接收更高等级或同一等级时钟的定时,并且要避免形成定时信号的环路,造成同步不稳定。为了实现上述的智能应用,我们在SDH的开销字节中引入了S1 字节,即同步状态标志(SSM)字节。用该字节的5~8比特通过消息编码以表明该STM-N的同步状态,并帮助进行同步网的保护倒换。
    S1字节的后4比特是同步信号质量等级(QL)的标志,按ITU-T的标准,对S1字 节进行了如下定义:
    S1 字 节 的 5 至 8 比 特 十 进
    制 值 同 步 质 量 等 级( QL) 描 述
    0000 0 等级未知
    0010 2 PRC等级,符合G.811主时钟
    精度1E-11,铯钟或GPS铷钟、GPS石英钟
    0100 4 SSU-T 等级,符合G.812转接局从时钟
    精度1.5E-9,GPS铷、石英钟
    1000 8 SSU-L 等级,符合 G.812 终端局从时钟
    精度3E-8,GPS铷、石英钟
    1011 11 SEC 等级,网元时钟
    精度4.6E-6,保持模式精度5E-8
    1111 15 DUS,不能用于同步
    在这里插入图片描述

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  • PTP时钟和NTP时钟同步有什么区别

    千次阅读 2020-07-29 15:11:27
    PTP时钟 理论上任何PTP时钟都能实现主时钟和从时钟的功能,但个PTP...在只有个子网的系统中,主时钟就是最高级时钟GMC。每个系统只有个GMC,且每个子网内只有个主时钟,从时钟与主时钟保持时钟同步。 下图所示

    PTP时钟

    理论上任何PTP时钟都能实现主时钟和从时钟的功能,但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。整个系统中的最优时钟为最高级时钟GMC(Grandmaster Clock),有着最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC(通用协调时间)的可追溯性等 特性,由最佳主时钟算法(Best MasterClock)来自动选择各子网内的主时钟;在只有一个子网的系统中,主时钟就是最高级时钟GMC。每个系统只有一个GMC,且每个子网内只有一个主时钟,从时钟与主时钟保持时钟同步。

    下图所示的是一个典型的主时钟、从时钟关系示意图:

    在这里插入图片描述

    PTP时钟同步的基本原理包括时间发出和接收时间信息的记录,并且对每一条信息增加一个“时间戳”。有了时间记录,接收端就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时。

    PTP域的节点设备按照一定的主从关系(Master-Slave)进行时钟同步。主从关系是相对而言的,同步时钟的节点设备称为从节点,发布时 钟的节点设备称为主节点,一台设备可能同时从上层节点设备同步时钟,然后向下层节点设备发布时钟。对于相互同步的一对时钟节点来说, 存在如下主从关系:

    发布同步时间的节点称为主节点,而接收同步时间的节点则称为从节点。

    主节点上的时钟称为主时钟,而从节点上的时钟则称为从时钟。

    发布同步时间的端口称为主端口,而接收同步时间的端口则称为从端口。

    应用了PTP协议的网络称为PTP域,网络中可能含有多个PTP域,PTP域是独立PTP时钟同步系统,一个PTP域内有且只有一个时钟源,域内的所有设备都与该时钟源保持同步。

    IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步,使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信,从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。

    由于高精度的同步工作,使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的,不影响控制精度的范围。

    NTP时钟

    网络时间协议(NTP)以合适的算法以增强时钟的准确性,并且减轻多个由于同步源而产生的差错,实现了准确性低于毫秒的时间服务,以满足目前因特网中路径量测的需要。通常让局域网上的若干台主机通过因特网与其他的NTP主机同步时钟,接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务。

    下图所示的是一个典型的NTP时钟同步示意图:

    在这里插入图片描述

    在配置时,NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。实际应用中,又有确保秒级精度的简单的网络时间协议。NTP服务器可以使计算机时间同步化的一种协议,其同步时钟源不仅仅局限于网络的时间服务器,还包括时钟设备,如石英钟,原子钟, GPS接收器等。

    NTP是网络时间协议(NetworkTime Protocol),它是用来同步网络中各个计算机的时间的协议。在计算机的世界里,时间非常地重要,例如 对于火箭发射这种科研活动,对时间的统一性和准确性要求就非常地高,是按照A这台计算机的时间,还是按照B这台计算机的时间?NTP就是用 来解决这个问题的,NTP(Network Time Protocol,网络时间协议)是用来使网络中的各个计算机时间同步的一种协议。它的用途是把计算机 的时钟同步到世界协调时UTC,其精度在局域网内可达0.1ms,在互联网上绝大多数的地方其精度可以达到1-50ms。以上为广义的对PTP和NTP的 说明,下面主要说明PTP时钟和NTP时钟的关联性特点。

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  • 1、先讲结论之所以这么选,是基于 精度时钟同步 两方面考虑的。2、知识讲解首先看一下 Date.now 的缺点返回的时间精度为 毫秒(10^-3)级别,精度不够;受到系统时间影响,也有可能被其他软件调整所影响为了获得更...

    视频讲解

    文字讲解

    如果去测试代码运行的时长,你会选择哪个时间函数? 一般第一时间想到的函数是 Date.now 或 Date.getTime。

    1、先讲结论

    之所以这么选,是基于 精度 和 时钟同步 两方面考虑的。

    2、知识讲解

    首先看一下 Date.now 的缺点

    返回的时间精度为 毫秒(10^-3)级别,精度不够;

    受到系统时间影响,也有可能被其他软件调整所影响

    为了获得更高精度、且和系统时间无关的时间,W3C 制定了 High Resolution Time Level 2 标准,其中的 6. Monotonic Clock 章节就规定了标准实现方需要提供 “单调递增” 的全局系统时钟:

    0e5e40a21f0dc4ab56c650f8bdcabb69.png

    在 Node.js 和 浏览器中都实现了该标准,具体的实现就是 performance 对象。我们可以通过 performance.now 获取相对起点的时间戳,具备以下几个特性:

    和 JS 中其他可用的时间类函数(比如 Date.now )不同的是,performance.now() 返回的时间使用了一个浮点数来达到 微秒(10^-6) 级别的精确度

    时间以一个 恒定的速率 慢慢 增加 的,它不会受到系统时间的影响(不会被其他软件所调整)

    从标准定义看,可以存在 clock drift (允许时钟漂移)

    e87b77971893557c42f8a540049087c3.png

    这里大致说一下 clock drift 的概念,它是源于 时钟同步 概念。时钟同步(Clock synchronization)是计算机科学与工程学中的一个概念,旨在协调多个独立的时钟。现实中的多个时钟,即使时间已调至一致,但在一段时间后依然会因为时钟漂移(即clock drift)而显示不同的时间,因为它们计时的速率会略有差异。

    是否有更精细的时钟存在呢?

    有的,在 Node.js 环境中就提供了 process.hrtime 方法:

    在 node v0.7.6 版本中新增,兼容性很好(毕竟现在都 v12 LTS 版本了)

    精度高达 纳秒(10^-9) 级别

    不存在 时钟漂移 (clock drift)

    可以说 process.hrtime 方法是 专为测量时间间隔而打造 的。

    注:浏览器环境没有这个 hrtime 方法,因此浏览器环境所能达到的最高精度也就用 performance.now 的微秒级别(当然各个浏览器实现也是有差异)

    只不过这个方法使用需要注意一下,首次调用返回的 time 需要作为后面调用的入参:

    const NS_PER_SEC = 1e9;

    const time = process.hrtime(); // 这里第一次调用,返回 time 变量

    // [ 1800216, 25 ]

    setTimeout(() => {

    const diff = process.hrtime(time); // 用第一次返回的 time 变量作为入参放在第二次调用中,从而获取 diff 时间差值

    // [ 1, 552 ]

    console.log(`Benchmark took ${diff[0] * NS_PER_SEC + diff[1]} nanoseconds`);

    // Benchmark took 1000000552 nanoseconds

    }, 1000);

    到这里本节主要内容讲完了,也就自然而然获得本节刚开始的结论。

    3、小知识

    如果你使用 Node.js V10.7.0 以上的版本,还可以使用 hrtime.bigint 方法,它是 process.hrtime 的 bigint 版本(bigint 类型从 v10.4 开始支持),返回当前的高精度实际时间。

    这方法使用起来比 process.hrtime 更加方便,因为它不用额外的 time 入参,直接通过两次调用结果相减就能获得计算时间差:

    const start = process.hrtime.bigint();

    // 191051479007711n

    setTimeout(() => {

    const end = process.hrtime.bigint();

    // 191052633396993n

    console.log(`基准测试耗时 ${end - start} 纳秒`);

    // 基准测试耗时 1154389282 纳秒

    }, 1000);

    4、参考文章

    MDN - Performance.now:MDN 上 performance.now 的 API 文档

    Creating a timestamp:言简意赅的总结,本文的选材最初就是来源于此

    Measure process time with Node Js?:SOF 上对该问题的解答,也是用 process.hrtime 进行高精度时间测量

    初探 performance – 监控网页与程序性能:window.performance 提供了一组精确的数据,经过简单的计算就能得出一些网页性能数据

    页面性能监测之performance:详细介绍如何利用 performance 对象来评测页面性能

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