CN111726185B - 外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，该同步方法包括：在所述本地计算设备内预设多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器；所述外部设备向所述实时操作系统发送PPS时间信息；所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述分时操作系统的系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值；所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述分时操作系统的系统时间，令所述系统时间与所述PPS时间同步。此外，本发明还提供了一种用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法。

Description

外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法

技术领域

本发明涉及计算机设备的时钟同步和校准领域，尤其涉及一种外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，同时还涉及一种用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法。

背景技术

在例如无人车、引路机器人、扫地机器人、分拣机器人等需要实时移动的嵌入式智能装置应用中，面对需要计算和记录大量实时传感器数据这一需求，使用单芯片已经不足以为上述需求提供足够的计算资源，因此现有技术中通常采用多个本地计算设备构成的多核心计算系统来提供足够的计算资源，所述多个本地计算设备彼此之间实现本地互相通信以正常运作。上述多核心计算系统通常集成在同一嵌入式智能装置中，并且在嵌入式智能装置中所述本地计算设备通常是片上系统(SOC)这一类集成度较高的芯片。

在上述多核心计算系统中，由于作为计算核心的每一所述本地计算设备内置的系统均具有其对应的系统时间，以保证该本地计算设备正常执行与时间相关的计算任务，为了使上述多个本地计算设备能正确地协同工作，首先需要对多个所述本地计算设备进行时钟同步，且所述时钟同步的精度应满足需求值，例如1毫秒级别或100微秒级别。若未进行时钟同步，则接入至不同的本地计算设备的传感器所采集的数据的时间戳存在偏差，对接下来的数据融合处理会造成较大影响，导致上述多核心计算系统无法正常工作，此外，多个所述本地计算设备的系统时钟不一致的情况下，一旦出现停机问题很难判断各个本地计算设备上产生的事件在真实时间中的先后顺序，这不利于快速定位导致所述停机问题的原因，使得所述多核心计算系统的维护难度不可控。

为了在所述多核心计算系统中实现对多个所述本地计算设备进行时钟同步，现有技术中存在基于广域网进行的时钟同步(例如GPS授时、NTP服务器授时)或基于局域网进行的时钟同步(本地NTP服务器授时)等网络授时方案，其中基于广域网进行的时钟同步受网络、时间服务器设备负载等因素的影响，导致存在不可控的信息延迟误差，使得基于广域网的时钟同步方案的精度仅能平均达到50毫秒级别，网络状况不佳的情况下其精度甚至会下降到500毫秒级别，而基于局域网进行的时钟同步精度能达到10毫秒级别，均无法满足所述多核心计算系统的时钟同步更高的精度需求。若承载所述多核心计算系统的设备处于室内无法接受到GPS信号，则该设备也无法使用GPS授时。现有的无论是基于广域网还是基于局域网的时钟同步，这些同步方案中均需要部署合适的网络环境才能实现时钟同步，上述同步方案的广泛应用受到了限制。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，该同步方法包括：

在所述本地计算设备内预设多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器；

所述外部设备向所述实时操作系统发送PPS时间信息；

所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述分时操作系统的系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值；

所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述分时操作系统的系统时间，令所述系统时间与所述PPS时间同步。

根据本发明的一个方面，该方法中所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值包括：所述实时操作系统记录所述PPS时间信息与所述时钟寄存器的值的第一映射数据，并记录所述初始值与所述时钟寄存器的值的第二映射数据；所述实时操作系统根据所述第一映射数据和所述第二映射数据计算出所述差值。

根据本发明的另一个方面，该方法中所述本地计算设备是嵌入式芯片；所述外部设备是外部传感器或其他嵌入式芯片。

根据本发明的另一个方面，该方法中所述外部设备和所述本地计算设备接入同一数据总线实现彼此互相通信。

本发明还提供了一种用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法，其中，所述多个本地计算设备互相通信，该本地计算设备包括多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器，所述同步方法包括：

判断与多个所述本地计算设备通信的外部传感器是否可以接收到PPS时间信息；

若所述判断结果为是，则所述外部传感器分别向多个所述本地计算设备转发所述PPS时间信息，所述实时操作系统根据所述PPS时间信息校准所述分时操作系统的系统时间；

若所述判断结果为否，则从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为主设备，其余所述本地计算设备指定为从设备，所述外部传感器向所述主设备发送第一PPS校准信息，运行于主设备上的实时操作系统根据所述第一PPS校准信息校准运行于该主设备上的分时操作系统的第一系统时间，以及，所述主设备根据所述第一系统时间向所有所述从设备发送第二PPS校准信息，所述从设备根据所述第二PPS校准信息校准运行于该从设备上的分时操作系统的第二系统时间。

根据本发明的另一个方面，该方法中所述实时操作系统根据所述PPS时间信息校准所述分时操作系统的系统时间包括：所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述系统时间的初始值与所述外部传感器的PPS时间的差值；所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述系统时间，令所述系统时间与所述外部传感器的PPS时间同步。

根据本发明的另一个方面，该方法中运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述第一PPS校准信息校准运行于该主设备上的分时操作系统的第一系统时间包括：所述运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述第一PPS校准信息，计算所述第一系统时间的初始值与所述外部传感器的PPS时间的第一差值；所述运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述第一差值通过所述共享内存更改所述第一系统时间，令所述第一系统时间与所述外部传感器的PPS时间同步。

根据本发明的另一个方面，该方法中所述主设备根据所述第一系统时间向所有所述从设备发送第二PPS校准信息，所述从设备根据所述第二PPS校准信息校准运行于该从设备上的分时操作系统的第二系统时间：所述运行于主设备上的实时操作系统根据所述第一系统时间的值向所述运行于从设备上的实时操作系统发送所述第二PPS校准信息；所述运行于从设备上的实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述第二PPS校准信息，计算所述第二系统时间的初始值与所述第一系统时间的第二差值；所述运行于从设备上的实时操作系统根据所述第二差值通过所述共享内存更改所述第二系统时间，令所述第二系统时间与所述第一系统时间同步。

根据本发明的另一个方面，该方法中从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为主设备包括：根据用户的操作，从所述多个本地计算设备选择一个所述本地计算设备指定为所述主设备；或计算机程序根据预定规则自动从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为所述主设备。

根据本发明的另一个方面，该方法中所述本地计算设备是嵌入式芯片。

根据本发明的另一个方面，该方法中所述多个本地计算设备和所述外部传感器接入同一数据总线实现彼此互相通信。

相应地，本发明还提供了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法。

相应地，本发明还提供了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法。

本发明提供的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法以及用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法中，在本地计算设备内的多核CPU上并行运行实时操作系统和分时操作系统，实时操作系统根据输入的PPS信号更改分时操作系统的系统时间，使多个本地计算设备的系统时钟实现同步，本发明的优点在于：在进行时钟同步时，任意一种可以产生上述PPS信号的外部传感器设备均可实现针对所述多个本地计算设备的授时，相比现有的网络授时同步方案，多个本地计算设备构成的多核心计算系统可以兼容更多种类的传感器，且无需进行额外的网络部署，因此简化了多核心计算系统的硬件复杂度，相应降低了所述系统中实现时间同步的实施成本和所述系统的集成难度；由于所述实时操作系统和所述分时操作系统之间使用共享内存进行通信，其通信延迟非常小，其授时精度能达到微秒级别，在兼容现有的GPS授时机制同时，相比现有技术具有更高的授时精度。此外，本发明的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法中，在多个本地计算设备中指定主设备和多个从设备，先同步主设备的系统时钟，所述主设备再针对剩余设备发起基于PPS信号的时钟同步，最终实现所述多个本地计算设备的系统时钟同步，该方法既可以适用于例如室外工作这种信号良好的应用场景，也可以适用于例如室内、地下设施等信号缺失的应用场景，因而提升了所述多个本地计算设备构成的多核计算系统工作时的稳定性和准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法的一个具体实施方式的流程示意图；

图2是图1示出的步骤S130的可选实施例的流程示意图；

图3是根据本发明的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法的一个具体实施方式的流程示意图；

图4是图3示出的步骤S230的可选实施例的流程示意图；

图5是图3示出的步骤S260的可选实施例的流程示意图；

图6是图3示出的步骤S270至步骤S280的可选实施例的流程示意图；

图7是用于实施图3示出的具体实施方式的多个本地计算设备的结构示意图；

图8是用于实施图3示出的具体实施方式的多个本地计算设备的另一结构示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

需要说明的是，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在下文给出的多个具体实施方式中，对于本领域熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明提供了一种外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，请参考图1，图1是根据本发明的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法的一个具体实施方式的流程示意图，该同步方法包括：

步骤S110，在所述本地计算设备内预设多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器；

步骤S120，所述外部设备向所述实时操作系统发送PPS时间信息；

步骤S130，所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值；

步骤S140，所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述分时操作系统的系统时间，令所述系统时间与所述PPS时间同步。

以下分别说明每一步骤的运行原理，具体地，步骤S110中提及的术语“本地计算设备”指的是该本地计算设备在应用时是通过本地数据通信的方式与接入该本地计算设备的其他设备进行数据交互。考虑到本发明提供的同步方法所针对的具体产品通常是无人车等嵌入式自动寻路机器人装置，典型地，所述本地数据通信的方式通常是总线连接；所述本地计算设备实施为嵌入式芯片，例如片上系统(SOC)。所述多核CPU是集成在所述SOC之上的中央处理器，该中央处理器具有至少两个运算引擎内核，为保证所述分时操作系统和所述实时操作系统能够在所述多核CPU中并行运行，所述SOC优选设计实施为令所述多核CPU中的一个内核用于运行所述实时操作系统，该多核CPU的其他内核用于运行所述分时操作系统。典型地，所述分时操作系统是适配于所述SOC的轻量化分时操作系统，例如Linux、Android或Quick Unix等，所述实时操作系统是适配于所述SOC的具有事件及时响应特性的实时操作系统(RTOS)，例如FreeRTOS；实现指定所述分式操作系统在所述多核CPU中的一部分核心上运行可以通过所述分时操作系统的kernel配置方式来实现。本领域技术人员可以理解，适配于所述SOC的RTOS是为所述SOC的功能专门设计的，该RTOS中的线程优先设计为处理持续直接传输至所述SOC的外部设备生成的数据，以保证所述SOC对待外部事件的快速响应，而所述分时操作系统多用于在应用程序层面实现逻辑调度和人机交互等功能。在本具体实施方式中，根据已知的多核CPU和冯诺依曼机的结构，所述分时操作系统和所述实时操作系统可以自然地通过共享内存进行通信，并且两者共享时钟寄存器。由于使用共享内存进行通信的传输速率能达到10Gbps以上的级别，使得所述分时操作系统和所述实时操作系统的数据交换的延迟值可以控制在纳秒级别，在实际应用中可视为时间同步。

具体地，在步骤S120中，所述外部设备向所述实时操作系统发送PPS时间信息的目的是旨在实现所述外部设备通过所述PPS时间信息对所述本地计算设备进行授时，所述PPS时间信息例如是频率为1Hz的脉冲信号。

由于时间同步是针对所述分时操作系统的系统时间而言的同步，在步骤S130中需要针对所述分式操作系统的系统时间进行校准，才能实现所述时间同步。已知在步骤S110中所述分时操作系统和所述实时操作系统共享所述时钟寄存器，则宏观上所述分时操作系统和所述实时操作系统获得的时钟参考值天然同步。所述实时操作系统无法直接读取所述分时操作系统的系统时间，仅能获得所述分时操作系统的系统时间的值与所述时钟寄存器的值的映射关系，同时所述实时操作系统可以获得所述PPS时间信息与所述时钟寄存器的值的映射关系，因此步骤S130中所述实时操作系统可以根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算出所述分时操作系统的系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值，本领域技术人员可以理解，该差值的计算可以通过常见的映射变换计算来得出，对此，本发明提供一个可选的实施例来对步骤S130的原理进行说明，请参考图2，图2是图1示出的步骤S130的可选实施例的流程示意图，步骤S130包括：

步骤S131，所述实时操作系统记录所述PPS时间信息与所述时钟寄存器的值的第一映射数据，并记录所述初始值与所述时钟寄存器的值的第二映射数据；

步骤S132，所述实时操作系统根据所述第一映射数据和所述第二映射数据计算出所述差值。

具体地，步骤S131中形成所述第一映射数据的方法例如是：所述实施操作系统分别将所述PPS时间信息中不同编号的脉冲上升沿与所述时钟寄存器顺序存储的多个值依次建立第一映射(即，检测到所述上升沿的同时读取所述时钟寄存器的值)，将该第一映射记录为所述第一映射数据，并行地，所述分时操作系统将处于所述初始值状态的系统时间先后产生的系统时间值与所多个值依次建立第二映射(即，生成所述系统时间值的同时读取所述时钟寄存器的值)，将该第二映射记录为所述第二映射数据。步骤S132中，所述实时操作系统通过对比所述第一映射数据和所述第二映射数据，就可以确定同一所述时钟寄存器的值相对应的PPS时间信息中特定的脉冲上升沿和所述系统时间的值，从而得到所述差值。

本领域技术人员可以理解，图2仅示出的是步骤S130的一种可选实施例，其他能够计算出所述差值的方法可用于替换图2中的步骤S131和步骤S132，本发明对此不做限定。相应地，在步骤S110和步骤S120执行后，其他可以计算出所述差值的方法也在本申请的保护范围之内。具体而言，所述实时操作系统可以将所述PPS时间信息、所述系统时间的值、所述时钟寄存器的值进行合适的数学变换，并根据所述数学变换的结果计算得出所述差值。

在步骤S140中，所述实时操作系统根据所述差值更改所述分式操作系统的系统时间，使所述系统时间与外部设备的PPS时间同步，基于所述更改操作的时间同步需求，所述实时操作系统是通过共享内存对所述分时操作系统的系统时间进行更改，由于共享内存的数据交换速率很快，该更改操作宏观上可视为无延迟。在步骤S140执行完毕之后，所述分时操作系统的系统时间的值就从初始值状态变为与所述PPS时间相同步的更改值状态。

优选地，将所述外部设备和所述本地计算设备接入同一数据总线实现彼此互相通信，依靠所述数据总线，所述外部设备与所述本地计算设备之间的通信保持高速率，所述分时操作系统、所述实时操作系统和所述时钟寄存器之间通信也保持高速率，经过测试，所述外部设备与所述本地计算设备的系统时钟的同步精度能达到微秒(μs)级别。相比现有技术大大提升了同步精度。

本领域技术人员可以理解，所述本地计算设备按照前文内容提供的硬件结构执行步骤S110至步骤S140之后，实现了与所述外部设备的时间同步，所述外部设备相当于使用所述PPS时间信息对所述本地计算设备上运行的分时系统进行了授时，以达到宏观上的时钟同步状态。由于是采用PPS信号作为基准信号进行时钟同步，任意一种可以产生所述PPS时间信息的设备均可用于实现所述外部设备，典型地，所述外部设备是外部传感器或其他嵌入式芯片，其中所述外部传感器例如是支持GPS同步功能的传感器，所述其他嵌入式芯片例如是实施为嵌入式芯片形式的另一本地计算设备。由上述内容可知，实施本发明提供的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，可令所述外部设备直接通过PPS信号对所述本地计算设备授时，并同时兼容了现有传感器的GPS授时模式，而且能达到比所述现有的传感器的GPS授时模式更高的同步精度。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

相应地，本发明还公开了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，例如图1示出的同步方法。所述计算机可读介质可以是可由计算机设备访问的任何可用介质，且包括用任何方法和技术实现以存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。计算机可读介质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并且可由计算设备访问的任何其它介质。上述的任意组合也应包含在计算机可读介质的范围内。

进一步地，本发明提供了一种用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法，其中，所述多个本地计算设备互相通信，该本地计算设备包括多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器，请参考图3，图3是根据本发明的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法的一个具体实施方式的流程示意图，该同步方法包括如下步骤：

步骤S210，判断与多个所述本地计算设备通信的外部传感器是否可以接收到PPS时间信息，若所述判断结果为是，依次执行步骤S220和步骤S230，若所述判断结果为否，依次执行步骤S240至步骤S280。

具体地，设置步骤S210的目的是判断所述外部传感器是否能接收到已有的PPS时间信息并根据该PPS时间信息对多个所述本地计算设备进行时钟同步处理，典型地，所述外部传感器是具有GPS同步功能的传感器，由于GPS信号是无线传输，在信号强度不足例如在室内工作的情况下，所述外部传感器无法接收到已有的PPS时间信息，无法通过所述PPS时间信息进行GPS授时。相应地，与图1示出的具体实施例中相关术语的说明一致，术语“本地计算设备”指的是该本地计算设备在应用时是通过本地数据通信的方式与接入该本地计算设备的其他设备进行数据交互。考虑到本发明提供的同步方法所针对的具体产品通常是无人车等嵌入式自动寻路机器人装置，典型地，所述本地数据通信的方式通常是总线连接；所述本地计算设备实施为嵌入式芯片，例如片上系统(SOC)。所述多核CPU集成在所述SOC之上的中央处理器，该中央处理器具有至少两个运算引擎内核，为保证所述分时操作系统和所述实时操作系统能够在所述多核CPU中并行运行，所述SOC优选设计实施为令所述多核CPU中的一个内核用于运行所述实时操作系统，该多核CPU的其他内核用于运行所述分时操作系统。典型地，所述分时操作系统是适配于所述SOC的轻量化分时操作系统，例如Linux、Android或Quick Unix等，所述实时操作系统是适配于所述SOC的具有事件及时响应特性的实时操作系统(RTOS)，例如FreeRTOS；实现指定所述分式操作系统在所述多核CPU中的一部分核心上运行可以通过所述分时操作系统的kernel配置方式来实现。本领域技术人员可以理解，适配于所述SOC的RTOS是为所述SOC的功能专门设计的，该RTOS中的线程优先设计为处理持续直接传输至所述SOC的外部设备生成的数据，以保证所述SOC对待外部事件的快速响应，而所述分时操作系统多用于在应用程序层面实现逻辑调度和人机交互等功能。在本具体实施方式中，根据已知的多核CPU和冯诺依曼机的结构，所述分时操作系统和所述实时操作系统可以自然地通过共享内存进行通信，并且两者共享时钟寄存器。由于使用共享内存进行通信的传输速率能达到10Gbps以上的级别，使得所述分时操作系统和所述实时操作系统的数据交换的延迟值可以控制在纳秒级别，在实际应用中可视为时间同步。所述PPS时间信息例如是频率为1Hz的脉冲信号，在无线信号畅通的工作环境中，可以接收到该PPS时间信息的所述外部传感器(例如上述具有GPS同步功能的传感器)直接对所述多个本地计算设备进行授时。在无法接收到无线信号的工作环境中，所述外部传感器生成其他类型的PPS信号(例如步骤S250中的第一PPS校准信息)对所述多个本地计算设备进行授时。

以下继续参考图3分别说明步骤S210之后本具体实施方式的两种执行流程，其中：

步骤S220，所述外部传感器分别向多个所述本地计算设备转发所述PPS时间信息；

步骤S230，所述实时操作系统根据所述PPS时间信息校准所述分时操作系统的系统时间。

具体地，在步骤S220中所述外部传感器分别向多个所述本地计算设备转发所述PPS时间信息，优选地，所述转发是并行执行的。在步骤S230中，所述实时操作系统根据所述PPS时间信息校准所述分时操作系统的系统时间，步骤S230的一种可选实施例由图4示出，请参考图4，图4是图3示出的步骤S230的可选实施例的流程示意图，步骤S230包括如下可选步骤：

步骤S231，所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述系统时间的初始值与所述外部传感器的PPS时间的差值；

步骤S232，所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述系统时间，令所述系统时间与所述外部传感器的PPS时间同步。

由于所述分时操作系统和所述实时操作系统共享所述时钟寄存器，则宏观上所述分时操作系统和所述实时操作系统获得的时钟参考值天然同步。所述实时操作系统无法直接读取所述分时操作系统的系统时间，仅能获得所述分时操作系统的系统时间的值与所述时钟寄存器的值的映射关系，同时所述实时操作系统可以获得所述PPS时间信息与所述时钟寄存器的值的映射关系，因此步骤S231中所述实时操作系统可以根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算出所述分时操作系统的系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值，本领域技术人员可以理解，该差值的计算可以通过常见的映射变换计算来得出，其原理可参考前文中对于步骤S131至步骤S132的说明。相当于所述外部传感器通过所述PPS时间信息对多个所述本地计算设备进行授时。

为了进一步阐述本发明的技术原理，尤其是对图3示出的具体实施方式中依次执行步骤S210、步骤S220和步骤S230这一流程进行说明，请参考图3、图4和图7，其中图7是用于实施图3示出的具体实施方式的多个本地计算设备的结构示意图，如图7所示，多个本地计算设备100构成多核心计算系统，外部传感器200分别与多个本地计算设备通信。在步骤S210判断为外部传感器200可以接收到所述PPS时间信息后，外部传感器200将该PPS时间信息转发至多个本地计算设备100，每一本地计算设备并行地根据该PPS时间信息进行时钟同步。在本地计算设备100内，实时操作系统102接收输入的所述PPS时间信息，依次执行前文所述的步骤S231和步骤S232，最终令分时操作系统101的系统时间与外部传感器200的PPS时间同步，由于所述PPS时间信息是直接发送至多个本地计算设备100的实时操作系统102内，这说明图7示出的多个本地计算设备100具有相同的时钟同步基准信号，所述多个本地计算设备100均实现与外部传感器200的时钟同步。特别地，虽然图7中仅示出了三个本地计算设备100和一个外部传感器200需要执行时钟同步的情况，但本领域技术人员可以理解，图3示出的具体实施方式可用于具有更多数量的本地计算设备100或外部传感器200的多核心计算系统中。当外部传感器200是具有GPS同步功能的传感器时，执行步骤S210、步骤S220和步骤S230相当于是直接通过PPS信号对所述本地计算设备100授时，并同时兼容了现有传感器的GPS授时模式，而且能达到比所述现有的传感器的GPS授时模式更高的同步精度。

相应地，继续说明图3示出的具体实施方式在执行步骤S210之后执行步骤S240这一流程，其中：

步骤S240，从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为主设备，其余所述本地计算设备指定为从设备，

步骤S250，所述外部传感器向所述主设备发送第一PPS校准信息；

步骤S260，运行于主设备上的实时操作系统根据所述第一PPS校准信息校准运行于该主设备上的分时操作系统的第一系统时间；

步骤S270，所述主设备根据所述第一系统时间向所有所述从设备发送第二PPS校准信息；

步骤S280，所述从设备根据所述第二PPS校准信息校准运行于该从设备上的分时操作系统的第二系统时间。

具体地，步骤S240可以实施根据人工操作指定或计算机程序自动指定，优选地实施为计算机程序自动指定，典型地，所述人工操作指定指的是根据用户的操作，从所述多个本地计算设备选择一个所述本地计算设备指定为所述主设备；所述计算机程序自动指定指的是计算机程序根据预定规则自动从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为所述主设备，所述预定规则例如是随机指定、根据参数阈值指定等，当主设备被指定后，多个所述本地计算设备中不同于所述主设备的其他本地计算设备相应地被指定为从设备。

在步骤S250中，所述外部传感器首先向所述主设备发送第一PPS校准信息，该第一PPS校准信息与所述PPS时间信息类似，其作用均是作为基准信息令所述主设备与所述外部传感器的PPS时间同步，相应地，在步骤S260中，运行于主设备上的实时操作系统根据第一所述PPS校准信息校准运行于该主设备上的分时操作系统的第一系统时间，令所述第一系统时间与所述第一PPS校准信息保持同步。步骤S260的一种可选实施例由图5示出，请参考图5，图5是图3示出的步骤S260的可选实施例的流程示意图，步骤S260包括如下可选步骤：

步骤S261，所述运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述第一PPS校准信息，计算所述第一系统时间的初始值与所述外部传感器的PPS时间的第一差值；

步骤S262，所述运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述第一差值通过所述共享内存更改所述第一系统时间，令所述第一系统时间与所述外部传感器的PPS时间同步。

具体地，由于所述第一PPS校准信息与前文中描述的所述PPS时间信息类似，所述第一差值与前文中描述的所述差值类似，则步骤S261和步骤S262的工作原理可参考前文中对于步骤S131至步骤S132的说明。相当于所述外部传感器通过所述第一PPS校准信息对所述主设备进行授时。

在步骤S260执行后，所述第一系统时间已经与所述外部传感器的PPS时间保持一致，继续触发所述主设备发起对所述从设备的时钟同步，也即依次执行步骤S270和步骤S280，步骤S270至步骤S289的一种可选实施例由图6示出，请参考图6，图6是图3示出的步骤S270至步骤S280的可选实施例的流程示意图。

步骤S270包括：步骤S271，所述运行于主设备上的实时操作系统根据所述第一系统时间的值向所述运行于从设备上的实时操作系统发送所述第二PPS校准信息；

步骤S280包括：步骤S281，所述运行于从设备上的实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述第二PPS校准信息，计算所述第二系统时间的初始值与所述第一系统时间的第二差值；以及，步骤S282，所述运行于从设备上的实时操作系统根据所述第二差值通过所述共享内存更改所述第二系统时间，令所述第二系统时间与所述第一系统时间同步。

具体地，所述第二PPS校准信息由运行于所述主设备上的实时操作系统生成，本领域技术人员可以理解，为了令所述主设备和所述从设备实现时钟同步，该第二PPS校准信息需保证与所述第一系统时间同步。一些实施例中，运行于所述主设备上的实时操作系统直接转发所述第一PPS校准信息即形成所述第二PPS校准信息，此时所述第一PPS校准信息和所述第二PPS校准信息是完全一样的PPS信号；在另一些实施例中，所述第二PPS校准信息也可以是运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述第一系统时间的值而生成的，本发明对此不作限定。考虑到所述第二PPS校准信息与所述第一PPS校准信息以及所述PPS时间信息类似，其作用是作为基准信息实现设备间的时间同步，另外所述第二差值与前文中描述的所述差值、所述第一差值类似，则步骤S281和步骤S282的工作原理可参考前文中对于步骤S131至步骤S132的说明。相当于所述主设备通过所述第二PPS校准信号对所述从设备进行授时。

为了进一步阐述本发明的技术原理，尤其是对图3示出的具体实施方式中依次执行步骤S210、步骤S240至步骤S280这一流程进行说明，请参考图3、图5、图6和图8，其中图8是用于实施图3示出的具体实施方式的多个本地计算设备的另一结构示意图，如图8所示，多个本地计算设备构成多核心计算系统，在步骤S210判断为外部传感器200不能接收到所述PPS时间信息后，首先将所述多核心计算系统中的一个本地计算设备指定为主设备110，其余本地计算设备指定为从设备120，外部传感器200向主设备110发送第一PPS校准信息，在主设备110内，其包含的实时操作系统112接收输入的所述第一PPS校准信息，依次执行前文所述的步骤S261、步骤S262，令主设备110的分时操作系统111的第一系统时间与外部传感器200的PPS时间保持同步，接下来实时操作系统112执行步骤S271，即根据所述第一系统时间向各个从设备120并行地发送所述第二PPS校准信息，每一从设备120的实时操作系统122依次执行步骤S281和步骤S282，令从设备120的分时操作系统121的第二系统时间与所述第一系统时间保持同步，也即最终令外部传感器200、主设备110和多个从设备120的时钟保持同步。需要特别说明的是，图8仅是示例性的，其示出的实施例中仅包含了一个外部传感器200、一个主设备110和两个从设备120，但本领域技术人员应当理解，图3示出的具体实施方式可用于具有更多数量的从设备120或外部传感器200的多核心计算系统中。执行步骤S210、步骤S240至步骤S280，可实现在外部传感器200完全接收不到外界的PPS信号的这一情况下也能进行多个本地计算设备和外部传感器的系统时钟同步，且同步时所需的硬件支持更为简单，相对于现有的NTP同步方式降低了硬件复杂度，相对现有的GPS同步方式在保持对GPS授时的兼容性的同时扩展了应用场景(无GPS信号的室内也可以实现时钟同步)。

此外，在图3示出的具体实施方式中，优选地将所述多个本地计算设备和所述外部传感器接入同一数据总线实现彼此互相通信，依靠所述数据总线，所述外部传感器与所述本地计算设备之间的通信保持高速率，每一所述本地计算设备内的所述分时操作系统、所述实时操作系统和所述时钟寄存器之间通信也保持高速率，经过测试，所述外部设备与所述本地计算设备的系统时钟的同步精度能达到微秒(μs)级别，相比现有技术大大提升了同步精度。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

相应地，本发明还公开了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法，例如图3示出的同步方法。所述计算机可读介质可以是可由计算机设备访问的任何可用介质，且包括用任何方法和技术实现以存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。计算机可读介质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并且可由计算设备访问的任何其它介质。上述的任意组合也应包含在计算机可读介质的范围内。

本发明提供的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法或用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法中涉及软件逻辑的部分可以使用可编程逻辑器件来实现，也可以实施为计算机程序产品，该程序产品使计算机执行用于所示范的方法。所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该介质上包含计算机程序逻辑或代码部分，用于实现上述涉及软件逻辑的部分的各个步骤。所述计算机可读存储介质可以是被安装在计算机中的内置介质或者可从计算机主体拆卸的可移动介质(例如可热拔插的存储设备)。所述内置介质包括但不限于可重写的非易失性存储器，例如RAM、ROM和硬盘。所述可移动介质包括但不限于：光存储媒体(例如CD-ROM和DVD)、磁光存储媒体(例如MO)、磁存储媒体(例如磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写的非易失性存储器的媒体(例如存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如ROM盒)。

本领域技术人员应当理解，任何具有适当编程装置的计算机系统都能够执行包含在计算机程序产品中的本发明的方法的诸步骤。尽管本说明书中描述的多数具体实施方式都侧重于软件程序，但是以硬件方式实现本发明提供的方法的替代实施例同样在本发明要求保护的范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

本发明提供的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法以及用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法中，在本地计算设备内的多核CPU上并行运行实时操作系统和分时操作系统，实时操作系统根据输入的PPS信号更改分时操作系统的系统时间，使多个本地计算设备的系统时钟实现同步，本发明的优点在于：在进行时钟同步时，任意一种可以产生上述PPS信号的外部传感器设备均可实现针对所述多个本地计算设备的授时，相比现有的网络授时同步方案，多个本地计算设备构成的多核心计算系统可以兼容更多种类的传感器，且无需进行额外的网络部署，因此简化了多核心计算系统的硬件复杂度，相应降低了所述系统中实现时间同步的实施成本和所述系统的集成难度；由于所述实时操作系统和所述分时操作系统之间使用共享内存进行通信，其通信延迟非常小，其授时精度能达到微秒级别，在兼容现有的GPS授时机制同时，相比现有技术具有更高的授时精度。此外，本发明的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法中，在多个本地计算设备中指定主设备和多个从设备，先同步主设备的系统时钟，所述主设备再针对剩余设备发起基于PPS信号的时钟同步，最终实现所述多个本地计算设备的系统时钟同步，该方法既可以适用于例如室外工作这种信号良好的应用场景，也可以适用于例如室内、地下设施等信号缺失的应用场景，因而提升了所述多个本地计算设备构成的多核计算系统工作时的稳定性和准确性。

以上所披露的仅为本发明的一些较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法，该同步方法包括：

在所述本地计算设备内预设多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器；

所述外部设备向所述实时操作系统发送PPS时间信息；

所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述分时操作系统的系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值；

所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述分时操作系统的系统时间，令所述系统时间与所述PPS时间同步。

2.根据权利要求1所述的同步方法，其中，所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算所述系统时间的初始值与所述外部设备的PPS时间的差值包括：

所述实时操作系统记录所述PPS时间信息与所述时钟寄存器的值的第一映射数据，并记录所述初始值与所述时钟寄存器的值的第二映射数据；

所述实时操作系统根据所述第一映射数据和所述第二映射数据计算出所述差值。

3.根据权利要求1所述的同步方法，其中：

所述本地计算设备是嵌入式芯片；

所述外部设备是外部传感器或其他嵌入式芯片。

4.根据权利要求1或3所述的同步方法，其中：

所述外部设备和所述本地计算设备接入同一数据总线实现彼此互相通信。

5.一种用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法，其中，所述多个本地计算设备互相通信，该本地计算设备包括多核CPU，在所述多核CPU内并行运行通过共享内存通信的分时操作系统和实时操作系统，且所述分时操作系统和所述实时操作系统共享时钟寄存器，所述同步方法包括：

判断与多个所述本地计算设备通信的外部传感器是否可以接收到PPS时间信息；

若所述判断结果为是，则所述外部传感器分别向多个所述本地计算设备转发所述PPS时间信息，所述实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述PPS时间信息，计算系统时间的初始值与所述外部传感器的PPS时间的差值，所述实时操作系统根据所述差值通过所述共享内存更改所述系统时间，令所述系统时间与所述外部传感器的PPS时间同步；

若所述判断结果为否，则从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为主设备，其余所述本地计算设备指定为从设备，所述外部传感器向所述主设备发送第一PPS校准信息，运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述第一PPS校准信息，计算第一系统时间的初始值与所述外部传感器的PPS时间的第一差值，所述运行于所述主设备上的实时操作系统根据所述第一差值通过所述共享内存更改所述第一系统时间，令所述第一系统时间与所述外部传感器的PPS时间同步，以及，运行于主设备上的实时操作系统根据所述第一系统时间的值向运行于从设备上的实时操作系统发送第二PPS校准信息，所述运行于从设备上的实时操作系统根据所述时钟寄存器的值和所述第二PPS校准信息，计算第二系统时间的初始值与所述第一系统时间的第二差值，所述运行于从设备上的实时操作系统根据所述第二差值通过所述共享内存更改所述第二系统时间，令所述第二系统时间与所述第一系统时间同步。

6.根据权利要求5所述的同步方法，其中，从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为主设备包括：

根据用户的操作，从所述多个本地计算设备选择一个所述本地计算设备指定为所述主设备；或

计算机程序根据预定规则自动从所述多个本地计算设备中选择一个所述本地计算设备指定为所述主设备。

7.根据权利要求5或6所述的同步方法，其中：

所述本地计算设备是嵌入式芯片。

8.根据权利要求5至6任一项所述的同步方法，其中

所述多个本地计算设备和所述外部传感器接入同一数据总线实现彼此互相通信。

9.一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如权利要求1至4任一项所述的外部设备与本地计算设备的系统时钟的同步方法。

10.一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如权利要求5至8任一项所述的用于多个本地计算设备的系统时钟的同步方法。

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