基于龍芯1C 的NTP 時間服務器設計與實現

籍明慧，裴煥斗，莊 杰，王佳寶，張川川

（1.中北大學儀器與電子學院，山西太原 030051；2.山西百信信息技術有限公司，山西太原 030006）

計算機的普遍使用以及網絡的快速發展，帶來了許多便利的同時，也讓使用者對其產生了很強的依賴性，稍有問題將會帶來很大的損失。其中，時鐘是一個很關鍵的要素。尤其在工業控制、電力、軍事等對時鐘要求較高[1-3]的領域，如何確保時間的準確性與同步性是一個值得研究的問題。通常情況下，計算機由實時時鐘（RTC）提供實時時間，或者可以理解成為系統提供一個標準時間，對于聯網的主機，如有需要，可以通過自動或手動從Internet 時間服務器同步時間。與此同時，由于機器外部環境改變，內部硬件老化損壞等原因，計算機時鐘在功能性和可靠度上都是有限的，時鐘總會出現問題。因此，對于需要一個精確時鐘的計算機，一個標準的時間基準是至關重要的。

NTP(Network Time Protocol)是一個時間同步協議，第一次實現是在1980 年，經過不斷發展，已經可以為計算機提供高精度的同步授時服務，局域網內精度已經達到了毫秒級，且在實際部署上較為簡單。李培基等[4]對NTP、PTP(Precise Time Protocol)及其他網絡時間同步協議進行了分析，介紹了基本概念，比較了各個協議運用的優缺點；陳希等[5]深入分析了NTP 和PTP 的時間同步誤差，并給出了優化方法；何承恩等[6]設計了一個跨平臺的網絡時間同步模塊，提高了有時間同步需求的跨平臺軟件開發效率；王錚等[7]基于AM3352 處理器設計了嵌入式北斗網絡時間服務器。這些文獻對NTP 時間服務器設計提供了依據。基于此，文中設計了以國產自主北斗衛星導航系統BDS（BeiDou Navigation Satellite System）為時間源，以國產處理器龍芯1C300B 為主控板處理器，嵌入式開源Linux 系統搭載NTP 軟件的時間服務器，自主可控、功能豐富且安全可靠。

1 總體思路及相關原理

基于成本、自主可控、精度要求等方面的考慮，采用北斗衛星導航系統與NTP 的軟硬件混合同步實現精確授時，有效地避免了純硬件授時成本太高以及純軟件授時精度不夠的問題。通過北斗時鐘接收器與授時天線相連采集時鐘信號經過處理后通過串口傳到主控板，作為校時的時鐘源，主控板對時鐘信息進行下一步處理，并且在顯示屏上顯示部分時間內容；與此同時，時間服務器開啟NTP 服務，進行相關配置，實現授時服務。總體思路如圖1 所示。

圖1 總體思路框圖

1.1 NTP協議及其原理

網絡時間同步協議之中NTP 的應用是最常見的，只要支持網絡套接字的計算機系統均可應用NTP 協議[8]。NTP 的目的是在有限的局域網環境中提供安全和可靠的時間同步服務，一般采用C/S模式，客戶端借助NTP 協議從服務器獲取準確的時間，在校時的同時，NTP 能夠通過主機與客戶端雙向信息傳輸持續跟蹤時間變化并自動進行調節[9-11]。

NTP 校時是通過NTP 報文在客戶端與服務端之間的傳送時間來確定客戶機和服務器之間的時間偏差和網絡時延。傳輸模型如圖2 所示。

圖2 NTP傳輸模型

客戶端向服務器端發出請求報文，服務器通過消息處理后，返回一個消息包給客戶端。其中θ為客戶端與服務器端的時間基準差值，δ為網絡傳輸時延。由此可得：

客戶機通過計算θ和δ的值即可調整本地的時鐘。

1.2 北斗授時原理

北斗衛星導航系統是中國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，是我國國家重大戰略基礎設施[12]，而且BDS 不依賴于GPS，自主可控程度高。

北斗衛星通過高精度原子鐘向地面設備發送包含時鐘信息報文的方式來實現授時服務，有單、雙向兩種授時功能[13]。衛星授時就是計算接收機本地時鐘與衛星系統時間的偏差,根據偏差進行本地時鐘頻率的調整[14]。單雙向的差別就在于是否對傳輸數據所產生的時間進行補償。在實際應用中，可以通過對地面用戶設備接收機進行配置，選擇需要的授時方式。

2 硬件方案

龍芯1C 芯片是龍芯系列較早的高性價比功能性產品，兼容MIPS 指令集，主頻達到了300 MHz，豐富的擴展接口可以使開發者進行靈活的功能設計，且龍芯1C 包含浮點處理單元，為開發者提供了足夠的計算能力[15]。

系統總體由北斗時間接收處理模塊、處理器模塊、電源模塊以及顯示模塊等部分組成。北斗時間接收處理模塊實現授時時統UTC 的時間溯源，并進行處理之后通過串口將精確的時鐘信息傳送給主控制器。主控制器模塊以龍芯1C300B 處理器為核心，存儲單元包含SDRAM、NAND Flash、SD 卡等；網絡模塊由10M/100M 以太網控制器和RJ45 網絡接口組成；電源模塊將外部5 V 電源轉換為系統各部分需要的3.3 V 和1.2 V 電壓；JTAG 為系統調試接口；晶振電路為系統提供內部時鐘信號；顯示屏通過串口與主板連接進行時間顯示。硬件結構組成如圖3 所示。

圖3 硬件結構組成

2.1 以太網控制模塊電路

系統采用了DM9161C 快速以太網物理層單片收發器，DM9161C 是一個物理層、低功耗和單片10BASE-T/100BASE-TX 收發器，芯片上集成完整物理層收發器和濾波器，不需要外部濾波器就可在以太網操作期間將信號傳輸。并且提供中斷處理功能，在接口功能管理上有著更好的控制。通過具有可屏蔽中斷輸出能力的MII 管理接口，DM9161C 不僅連接了媒體訪問控制(MAC)層，而且確保了高互操作性和靈活性。

其中，T/RXCLK、T/RXD[0:3]引腳分別實現發送/接收數據的功能，COL 和CRS 引腳實現狀態指示及檢測控制功能，MDIO 和MDC 引腳分別具有管理數據引腳及其時鐘的功能。DM9161C 的接口電路如圖4 所示。

信號的發送和接收過程，通過DM9161C 和RJ45接口的相應引腳連接實現。RJ45 的電路原理如圖5所示。

2.2 電源電路

系統電源部分使用MP1482 同步降壓穩壓器將5 V 的直流電壓轉換為系統各部分所必需的3.3 V 與1.2 V 電壓。MP1482 在4.75 V 至18 V 的寬輸入電壓下提供2 A 的連續負載電流。并且在關機模式下，電源電流下降到1 μA，電源的轉換效率高達93%。電源電路的實現原理如圖6 所示。

圖4 DM9161C的接口電路圖

圖5 RJ45接口電路原理圖

2.3 復位電路

復位電路是系統不可缺少的重要組成電路。在該系統中,通過使用MAX811 芯片設計復位電路，來保證系統工作的穩定性。

系統開始工作時，如果接入的電壓值低于設置的TH（閾值電壓），產生一個復位信號，并保持RESET 引腳為低電平，在VCC 上升到TH 以上后，使其保持至少140 ms 后重置閾值。手動復位功能可以通過控制MR 引腳實現，按下S1 按鍵后，強制使MR引腳接地變為低電平，產生復位輸出信號。復位電路如圖7 所示。

圖6 電源轉換電路原理圖

圖7 復位電路原理圖

2.4 顯示模塊實現

時間信息用數字、字母就可以完全表示，所以采用RSI1602BNU 串口液晶顯示屏進行時間顯示，UART-TTL5.0 串行接口，可節約CPU 的IO 資源；另外模塊自動初始化1602 顯示屏，無需另外開發驅動程序。時間信息從北斗時鐘處理器通過串口傳送到1C 主控板上，與此同時數據經過處理通過串口傳送到顯示屏進行顯示，流程圖如圖8 所示。

2.5 硬件系統總結

硬件系統主要包括了北斗時間接收處理模塊、主控制器模塊、電源模塊、顯示模塊及各個芯片之間的接口電路。硬件設計時充分考慮了電磁干擾、靜電防護、散熱等方面的影響，對PCB 板進行了多次測試；對系統板的斷電、加電以及接口配置進行了功能性測試，搭建了穩定可靠的硬件平臺，為軟件系統的搭載打好了基礎。

圖8 顯示模塊實現流程圖

3 軟件實現

NTP 時間服務器操作系統采用嵌入式Linux 系統，服務器中部署NTP 服務，系統其他成員與時間服務器相連，使用NTP 協議進行時間同步。下面就系統的制作以及NTP 服務的部署進行介紹。

3.1 編譯內核

嵌入式Linux 的系統板資源有限，需要交叉編譯調試的方式進行。該設計通過VMware 上安裝虛擬機的方式解決編譯問題。虛擬機系統使用Ubuntu16.04，Linux 內核使用Linux-3.18。

開啟Ubuntu16.04 之后，拷貝內核源碼包linux-3.18-loongson.tar.gz，并解壓至/Workstation 目錄下。

接下來直接使用make 命令進行編譯，編譯完成后，會自動生成內核文件。

3.2 制作根文件系統

文件系統用于管理存儲介質，文件系統實現了系統存儲介質和其他資源的交互。該設計使用buildroot 構建根文件系統。

同樣與內核編譯過程一樣，開啟Ubuntu16.04，拷貝buildroot 源碼包buildroot-2018.02.4.tar.gz，并解壓到/Workstation/rootfs/buildroot 目錄下，然后進入buildroot-2018.02.4 目錄。

運行圖形化配置命令：

無特殊要求，按默認配置即可，對于該設計，需要NTP 服務，故勾選NTP 軟件選項，如圖9 所示。

圖9 buildroot配置選項

保存設置退出后執行make 命令，在make 命令執行完成之后，會生成output/images/rootfs.yaffs2img文件，該文件即為可以燒錄到主控板中的根文件系統鏡像。

3.3 下載并燒寫內核和根文件系統

通過TFTP 和控制臺軟件（串口助手）Putty 來將內核文件和根文件系統鏡像下載到系統板上。通過Putty 可進行PMON 配置和控制臺操作。

PMON 下載燒寫內核和根文件系統操作命令行代碼如下：

重啟上電之后，系統即可正常運行。

3.4 NTP服務的配置

NTP 服務的配置只需修改配置文件即可完成，使用vi/etc/ntp.conf 命令對配置文件作如圖10 修改：

圖10 NTP配置文件修改

其中restrict 0.0.0.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap 代表著允許內網中相應網段的其他客戶機可以與服務器進行時間同步，nomodify 和notrap 分別代表禁止遠程主機修改本地服務器配置和拒絕特殊的ntpd 捕獲消息[16]。

這兩行命令是將這臺服務器定義為對本局域網提供NTP 服務。

4 設計結果及測試

將北斗時鐘接收器、授時天線、主控板、顯示屏以及客戶機按規定信號邏輯連接，上電啟動之后，顯示屏可正常顯示時間數據，且服務器與客戶機時間達到了實時同步，結果如圖11 所示。

圖11 服務器實現實物圖

在客戶機啟動NTP 服務，修改配置文件之后，在終端輸入ntpdate-u 192.168.2.100，出現adjust time server 192.168.2.100 offset-0.001062 sec，則表示客戶端時間準確同步。

編寫shell 腳本，連續運行北斗網絡時間服務器24 h，數據采樣頻率設為3 s 一次，抓取其中800 組數據進行分析。得到了NTP 時間服務器測量精度分析圖如圖12 所示。

圖12 測試結果

測試結果表明，NTP 時間服務器時間誤差的均值為0.35 ms。授時標準方差為1.783 μs。由此可見，NTP 時間服務器可穩定進行時間同步服務且時間同步精度達到了毫秒級。

5 結論

該文提出了一種基于龍芯1C 的NTP 時間服務器設計方案，并且對其基本原理以及軟硬件實現進行了介紹。在成本損耗、數據處理、授時精度方面具有較好的能力，在時鐘源以及服務器硬件設計上采用國產技術，自主可控程度較高，具有較好的安全性。經過測試，服務器時間同步功能穩定且授時精度達到了毫秒級，足以滿足諸多信息化網絡系統或者局域網系統下時間同步的要求，具有較高的應用價值。