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)測量等領(lǐng)域無法完成特定任務(wù)。為解決計(jì)算機(jī)時(shí)間誤差較大問題，部分人員提出win系統(tǒng)下pci總線接口的GPS授時(shí)卡。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pcie總線授時(shí)卡所取代，且GPS授時(shí)方式以及美國微軟win系統(tǒng)無法在國家安全敏感部門使用。針對上述不足，基于國產(chǎn)linuk系統(tǒng)平臺，設(shè)計(jì)了PCIE總線接口的授時(shí)卡，驅(qū)動(dòng)程序以及基本應(yīng)用軟件。

一、發(fā)展歷程

 隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在對大數(shù)據(jù)量交互方面提出更高需求的同時(shí)還對總線傳輸速率以及數(shù)據(jù)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但由于PCI總線的并行特性，整體設(shè)計(jì)難度大，故主流的技術(shù)已經(jīng)成為系統(tǒng)整體性能提升的瓶頸。因此，串行 PCIExpress(PCIe)總線標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)勢，經(jīng)推出就得到了迅速的發(fā)展，并開始逐步取代PCI總線。

二、通訊協(xié)議

 PCIe總線串行傳輸?shù)奶匦允峭ㄟ^報(bào)文的形式進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文在PCIe 的事務(wù)層被封裝成一個(gè)或者多個(gè)TLP數(shù)據(jù)包，PCIe設(shè)備之間則通過這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由于TLP的數(shù)據(jù)包中包含TLP前綴、TLP頭以及TLP摘要等信息，因此，當(dāng)設(shè)備在進(jìn)行單次數(shù)據(jù)傳輸( 每個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)負(fù)載長度為1)時(shí)PCIe總線的性能優(yōu)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)往往需要使用 DMA 的傳輸方式。

 PCIe總線技術(shù)是取代PCI的第三代I/O技術(shù)，也稱為3GIO。PCIe總線是為將來的計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)上使用了高速差分的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與此同時(shí)，其端到端的連接方式使得每條PCIe鏈路中只能連接兩個(gè)設(shè)備，因此相比于PCI所有設(shè)備共享總線帶寬來說，PCIe總線具有獨(dú)享傳輸通道數(shù)據(jù)帶寬的特性與PCI總線相比，PCIe總線主要有下面的技術(shù)優(yōu)勢:

 1) 是串行總線，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，每個(gè)傳輸通道

獨(dú)享帶寬;

 2)支持雙向傳輸模式和數(shù)據(jù)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(dá)到250MByte/s，雙向傳輸帶寬更能夠達(dá)到500 MByte/s;

 3)充分利用先進(jìn)的點(diǎn)到點(diǎn)互連、基于交換的技術(shù)和基于包的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)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(jìn)的點(diǎn)到點(diǎn)互連，降低了系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)制造設(shè)計(jì)成本，極大地提高系統(tǒng)的性價(jià)比和魯棒性。

 總線技術(shù)的發(fā)展的同時(shí)對時(shí)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(shí)時(shí)性好、可控性佳等優(yōu)點(diǎn)，但其協(xié)議的復(fù)雜給開發(fā)者帶來了難度。北斗/GPS 雙模授時(shí)方法，結(jié)合先進(jìn)的接口芯片來驅(qū)動(dòng)PCIExpress 總線，利用具有低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等性能的數(shù)字可編程器件（FPGA）來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，使得時(shí)間同步裝置與PC機(jī)之間信息交換變得簡單易用。

  三、舉例說明HJ5447-PTP-BIN PCIe時(shí)鐘卡是一款通過總線控制，為計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等操作系統(tǒng)提供高精度硬件時(shí)鐘的同步卡。該時(shí)鐘同步卡采用流水線自動(dòng)化貼片生產(chǎn)，使用FPGA+ARM框架設(shè)計(jì)，接收GPS/北斗/PTP/交直流IRIG-B碼等外部參考信號，輸出各種時(shí)間頻率信號，提高系統(tǒng)的時(shí)間精度和準(zhǔn)確度，滿足不同用戶需求。該時(shí)鐘同步卡內(nèi)置高精度守時(shí)時(shí)鐘源，當(dāng)外部參考無效時(shí)仍然可以提供高精度授時(shí)服務(wù)。并配套提供Win校時(shí)管理軟件和各種操作系統(tǒng)的API驅(qū)動(dòng)，完全實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)用程序授時(shí)，具有兼容性強(qiáng)，接口豐富、精度高、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)、無積累誤差、不受地域氣候等環(huán)境條件限制、性價(jià)比高、操作簡單、免維護(hù)等特點(diǎn)。

3.1產(chǎn)品功能

（1）支持PCIE總線授時(shí)，時(shí)間精度優(yōu)于10us；

（2）內(nèi)置高精度授時(shí)型GPS/BD雙模接收機(jī)；

（3）外參考失鎖后依靠內(nèi)置高精度時(shí)鐘守時(shí)；

（4）支持即插即用（Plug and Play）；

（5）輸出秒脈沖(PPS)時(shí)標(biāo)同步脈沖信號；

（6）Windows/Linux 32位/64位驅(qū)動(dòng)，提供API函數(shù)接口；

（7）提供windows上位機(jī)校時(shí)軟件，對計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)；

（8）可在PCIe總線上提供多種中斷信號；

（9）PCIe總線提供時(shí)間信息，GPS、BD衛(wèi)星顆數(shù)，板卡同步狀態(tài)等信息；

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

3.2產(chǎn)品

特點(diǎn)

（1）高精密，全自動(dòng)，無人值守，免維護(hù)；

（2）對主要電路部分采用金屬外殼屏蔽，抗干擾能力強(qiáng)；

（3）功耗小，可靠性高,可長期連續(xù)穩(wěn)定工作；

（4）安裝簡便：該產(chǎn)品可直接插入計(jì)算機(jī)（或工控機(jī)）的PCIe擴(kuò)展槽。

  四、應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)開發(fā)過程中重要的軟件環(huán)節(jié)，軟件是基于 Win系統(tǒng)開發(fā)的，為了降低開發(fā)難度，設(shè)計(jì)中使用 WDM 進(jìn)行 PCIE 驅(qū)動(dòng)功能的開發(fā)，應(yīng)用層程序的開發(fā)則使用了 VC++6.0。主要包括了設(shè)備操作、設(shè)備信息、I/O端口讀寫、北斗/GPS/守時(shí)時(shí)間以及IRIG-B碼解碼時(shí)間顯示五個(gè)部分組成。 設(shè)備操作組要包含打開、關(guān)閉、退出設(shè)備三個(gè)部分組成；設(shè)備信息組要包含了驅(qū)動(dòng)版本號、DLL版本號、設(shè)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(shè)備開啟的時(shí)候在授時(shí)卡驅(qū)動(dòng)程序里面進(jìn)行自動(dòng)讀取的，并且PCIE 的配置空間信息VendorID、De-vice ID、Revision ID 等信息也是在設(shè)備開啟的時(shí)候自行讀取的，用于端口應(yīng)用。使用 FPGA 來設(shè)計(jì)基于PCIe 總線的數(shù)據(jù)傳輸，可以省去專用的PCIe接口芯片，降低硬件的設(shè)計(jì)成本，提高硬件集成度的同時(shí)還能利用FPGA的可編程特性提高設(shè)計(jì)的靈活性與適應(yīng)性。與此同時(shí)，目前很多FPGA 內(nèi)都嵌入了PCIe的硬核，此硬核支持PCIe傳輸?shù)膯巫肿x寫操作以及DMA讀寫操作作，由于PCIe具有一定的協(xié)議，其單字傳輸效率達(dá)不到要求，因此，本文在PCIe單字傳輸?shù)幕A(chǔ)上提出了一種基于PCIe接口的DMA傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，此方案可以穩(wěn)定快速地實(shí)現(xiàn)PCIe總線的DMA傳輸。經(jīng)測試，DMA傳輸方案在傳輸帶寬方面滿足設(shè)計(jì)要求。