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黏郯
5 years ago
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基于 STM32F7 的网络时间同步客户端实现前言本文将介绍一个基于 STM32F7 的网络时间同步客户端例程在开始介绍程序之前, 我们先来了解一下什么是网络时间同步, 和 NTP 协议等相关概念通常在计算机工作前, 我们会预先设定好系统的时间但如果网络中多台计算机 ( 或者处于多个网络中的计算机 ) 需要协同工作的时候, 这些计算机的时间就需要保持同步如果两个计算机 (

Time Protocol, 它是用来同步网络中个计算机的时间的协议它的目的是在国际互联网上传递统一标准的时间具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站, 为用户提供授时服务, 并且这些网站间应该能够相互比对, 提高准确度 NTP 简介 NTP 工作原理这里借用网上的一个图来简单的说下 NTP 的工作原理 : 假设设备 A 和设备 B 通过网络连接, 它们都有各自的时间系统,

1 基于 STM32F7 的网络时间同步客户端实现前言本文将介绍一个基于 STM32F7 的网络时间同步客户端例程在开始介绍程序之前, 我们先来了解一下什么是网络时间同步, 和 NTP 协议等相关概念通常在计算机工作前, 我们会预先设定好系统的时间但如果网络中多台计算机 ( 或者处于多个网络中的计算机 ) 需要协同工作的时候, 这些计算机的时间就需要保持同步如果两个计算机 ( 或者两个网络 ) 的时间不同步, 有可能会出现, 比如你会收到 5 分钟之后才会被发出的邮件所以在这种情况下需要通过某种办法将网络上各设备的时间进行同步说到这里, 我们也知道了网络时间同步, 是指将计算机或者设备的时间与网络上的时间源保持一致时间源是由网络上的时间服务器提供本文介绍的是 NTP 客户端,NTP 协议是 TCP/IP 协议中的应用层协议 NTP 的全称是 Network Time Protocol, 它是用来同步网络中个计算机的时间的协议它的目的是在国际互联网上传递统一标准的时间具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站, 为用户提供授时服务, 并且这些网站间应该能够相互比对, 提高准确度 NTP 简介 NTP 工作原理这里借用网上的一个图来简单的说下 NTP 的工作原理 : 假设设备 A 和设备 B 通过网络连接, 它们都有各自的时间系统, 需要通过网络进行同步假设同步前设备 A 的时间是 10:00:00 AM, 设备 B 的时间是 11:00:00AM, 相差 1 个小时设备 B 作为 NTP 时间服务器, 设备 A 需要将自己的时间与设备 B 同步 1. 首先设备 A 向设备 B( 服务器 ) 发送一个 NTP 报文, 该报文带有它离开设备 A 时的时间戳 10:00:00AM(T1) 2. 该 NTP 报文到达设备 B, 设备 B 加上当前自己的时间, 也就 11:00:01AM(T2) 3. 设备 B 回复设备 A, 并加上报文离开时的时间戳 11:00:02(T3) 4. 设备 A 收到设备 B 的回复, 此时, 设备 A 的当地时间是 10:00:03(T4)

通过这个过程, 设备 A 得到了四个时间戳假设 NTP 报文从设备 A 到设备 B, 和从设备 B 回到设备 A 的时间是对等的, 利用这四个时间戳, 设备 A 就可以计算出和设备 B 的时间差, 从而来更新自己的系统时间 NTP 报文的往返时延 Delay = (T4-T1)-(T3-T2) 设备 A 相对设备 B 的时间差 Offset=((T2-T1)+(T3-T4))/2 NTP

2 通过这个过程, 设备 A 得到了四个时间戳假设 NTP 报文从设备 A 到设备 B, 和从设备 B 回到设备 A 的时间是对等的, 利用这四个时间戳, 设备 A 就可以计算出和设备 B 的时间差, 从而来更新自己的系统时间 NTP 报文的往返时延 Delay = (T4-T1)-(T3-T2) 设备 A 相对设备 B 的时间差 Offset=((T2-T1)+(T3-T4))/2 NTP 的工作模式和工作模型 NTP 有三种工作模式 : 主 / 被动模式, 客户端 / 服务器模式和广播模式主 / 被动模式下, 连接双方可以互相同步, 客户端 / 服务器模式下, 只能客户端被服务器同步广播模式, 是一对多的连接, 服务器主动发出时间信息, 客户由此调整自己的时间 NTP 采用分层结构进行工作 ( 如下图 ) 最顶层(0 层 ) 是时间同步网络的基准时间参考源, 它位于整个同步网络的顶层直接连接到 0 层时钟源的计算机属于第 1 层, 从第 1 层接受时间的计算机属于第 2 层, 以此类推每一层的号码代表了这一层到顶层时钟源的距离参考时钟源的层数从 0 到 15,16 表示未同步的设备下层设备可以同时应用几个上层设备的时间作为参考, 也可以引用同层设备的时间作为参考 ( 注 : 本图来自 wikipedia) NTP 时间戳 NTP 以 UTC 作为标准时间 UTC 是以原子时秒长为基础的时间计量系统 NTP 时间戳, 是从 1900 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒开始所经过的秒数 NTP 的时间戳通过一个 64 比特的无符号定点数来表示前 32 比特表示整数部分, 后 32 比特表示小数部分, 以秒为单位秒 ( 整数部分 ) 秒 ( 小数部分 ) 因为只有 32 位表示秒数, 2 32 秒年所以 136 年为一个周期, 当到 2036 年时, 数据会溢出 NTP 协议中定义了 Era Number 来解决这个问题从 1900 年 1 月 1 日开始的第一个 136 年,Era Number 为 0, 之后的每 136 年加 1 但 Era Number 的值本身并不能从 NTP 的数据中得出, 需要从外部采用一些方法来解决

3 NTP 报文格式下图所示是 NTP 报文的格式 : LI VN Mode Stratum Poll Precision Root Delay(32bit) Root Dispersion(32bit) Reference Identifier(32bit) Reference Timestamp(64bit) Originate Timestamp(64bit) Receive Timestamp(64bit) Transmit Timestamp(64bit) Extension Field 1(variable) Extension Field 2(variable) Key identifier Dgst(128bit) LI 闰秒标识器, 占 2 个比特位预警最近的分钟里将要被插入或者删除的闰秒秒数版本号, 占 3 个比特位现在为版本 4. 模式, 占 3 个比特位 Stratum( 层 ), 占 8 个比特位表示当前时钟的层轮询 (Poll) 间隔, 占 8 个比特位表示连续信息之间的最大间隔本地时钟精度, 占 8 个比特位原始时间戳 Originate Timestamp,64 比特客户端发出 NTP 报文的时间接收时间戳 Receive Timestamp,64 比特服务器端接收到 NTP 报文的时间发送时间戳 Transmit Timestamp,64 比特服务器端发送应答的时间 NTP,SNTP 和 IEEE1588(PTP) 的区别大多数环境中,NTP 可以提供 1~50ms 的可靠时钟源但对于很多系统来说, 并不需要这么高精度的同步, 而且完全实现 NTP 协议太复杂了, 所以 SNTP(Simple Network Time Protocol) 应运而生 SNTP 基于 NTP 协议, 和 NTP 的数据帧格式是一样的, 计算时间偏差以及数据包往返时延的方法也一眼区别就是 SNPT 没有 NTP 中复杂的同步算法 SNTP 提供的同步时间精度比 NTP 低 SNTP 与 NTP 协议具有互操作性,SNTP 客户端可以与 NTP 服务器协同工作,NTP 客户端也可以接受 SNTP 服务器发出的授时信息 IEEE1588 协议是专门针对工业应用提出的精确时钟同步协议它能提供微秒级的时间同步

4 与 IEEE1588 相比,NTP/SNTP 授时精度不高的原因在于打时间戳的位置 NTP/SNTP 是在应用层写入或者读出时间戳, 客户端发起授时请求, 先从应用层到物理层, 经过网络传输, 到达服务器端再从物理层到应用层被读出, 这三个阶段都存在不确定性反之亦然, 造成 NTP/SNTP 的精度不会很高而 IEEE1588 的时间戳的获取位置是在物理层, 可以避免报文处理时间的不一致性 STM32 的以太网外设支持 IEEE1588 协议提供高精度的同步, 在每个帧的发送或接收时给出 64 位时间戳, 与 NTP 的时间戳格式相同关于 IEEE1588 的实现可以参考 ST 的另一篇 AN3411 NTP 客户端代码实现本代码基于 STM32F7Cube 库, 通过 NTP 协议从远程 NTP 时间服务器上读取时间, 并同步本地 RTC 的实时时钟程序使用了 STM32F746 的以太网和 RTC 两个外设, 应用 FreeRTOS 操作系统,TCP/IP 编程部分使用 netconn 接口函数实时时钟 RTC STM32F7 的实时时钟是一个独立的 BCD 定时器 / 计数器可以提供具有可编程闹钟中断功能的日历时钟 / 日历两个 32 位寄存器包含二进码十进数格式 (BCD) 的秒分钟小时 (12 或 24 小时制 ) 星期几日期月份和年份此外, 还可提供二进制格式的亚秒值系统可以自动将月份的天数补偿为 28 29( 闰年 ) 30 和 31 天并且还可以进行夏令时补偿此外, 还可以使用数字校准功能对晶振精度的偏差进行补偿备份域复位后, 所有 RTC 寄存器都会受到保护, 以防止可能的非正常写访问无论器件状态如何 ( 运行模式低功耗模式或处于复位状态 ), 只要电源电压保持在工作范围内,RTC 便不会停止工作在本代码中, 首先将 RTC 初始化到默认的时间 2014 年 2 月 18 号,2 点 0 分 0 秒当收到 NTP 服务器的响应后, 利用收到的时间修改 RTC 的值, 完成同步下面是 RTC 相关的函数 : RTC_Init 和 RTC_CalendarConfig, 在 main 函数中调用 static void RTC_Init(void) /*##-1- Configure the RTC peripheral #######################################*/ /* Configure RTC prescaler and RTC data registers */ /* RTC configured as follows: - Hour Format = Format 24 - Asynch Prediv = Value according to source clock - Synch Prediv = Value according to source clock - OutPut = Output Disable - OutPutPolarity = High Polarity - OutPutType = Open Drain */ RtcHandle.Instance = RTC; RtcHandle.Init.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24; RtcHandle.Init.AsynchPrediv = RTC_ASYNCH_PREDIV; RtcHandle.Init.SynchPrediv = RTC_SYNCH_PREDIV; RtcHandle.Init.OutPut = RTC_OUTPUT_DISABLE; RtcHandle.Init.OutPutPolarity = RTC_OUTPUT_POLARITY_HIGH; RtcHandle.Init.OutPutType = RTC_OUTPUT_TYPE_OPENDRAIN;

5 if (HAL_RTC_Init(&RtcHandle)!= HAL_OK) /* Initialization Error */ while(1) ; /** Configure the current time and date. None None */ static void RTC_CalendarConfig(void) RTC_DateTypeDef sdatestructure; RTC_TimeTypeDef stimestructure; /*##-1- Configure the Date #################################################*/ /* Set Date: Tuesday February 18th 2014 */ sdatestructure.year = 0x14; sdatestructure.month = RTC_MONTH_FEBRUARY; sdatestructure.date = 0x18; sdatestructure.weekday = RTC_WEEKDAY_TUESDAY; if(hal_rtc_setdate(&rtchandle,&sdatestructure,rtc_format_bcd)!= HAL_OK) /* Initialization Error */ while(1) ; /*##-2- Configure the Time #################################################*/ /* Set Time: 02:00:00 */ stimestructure.hours = 0x02; stimestructure.minutes = 0x00; stimestructure.seconds = 0x00; stimestructure.timeformat = RTC_HOURFORMAT12_AM; stimestructure.daylightsaving = RTC_DAYLIGHTSAVING_NONE ; stimestructure.storeoperation = RTC_STOREOPERATION_RESET; if (HAL_RTC_SetTime(&RtcHandle, &stimestructure, RTC_FORMAT_BCD)!= HAL_OK) /* Initialization Error */ while(1) ; /*##-3- Writes a data in a RTC Backup data Register1 #######################*/ HAL_RTCEx_BKUPWrite(&RtcHandle, RTC_BKP_DR1, 0x32F2);

6 RTC_CalendarUpdate 函数, 更新 RTC 的值, 在 NTP 进程中调用 /** Update the current time and date according to the time get from NTP server. newtime. pointer to newtime None */ void RTC_CalendarUpdate(struct tm * newtime) RTC_DateTypeDef sdatestructure; RTC_TimeTypeDef stimestructure; /*##-1- Configure the Date #################################################*/ sdatestructure.year = newtime->tm_year ; sdatestructure.month = newtime->tm_mon +1; sdatestructure.date = newtime->tm_mday; sdatestructure.weekday = newtime->tm_wday; if(hal_rtc_setdate(&rtchandle,&sdatestructure,rtc_format_bin)!= HAL_OK) /* Initialization Error */ while(1) ; /*##-2- Configure the Time #################################################*/ stimestructure.hours = newtime->tm_hour; stimestructure.minutes = newtime->tm_min; stimestructure.seconds = newtime->tm_sec; stimestructure.timeformat = RTC_HOURFORMAT12_AM; stimestructure.daylightsaving = RTC_DAYLIGHTSAVING_NONE ; stimestructure.storeoperation = RTC_STOREOPERATION_RESET; if (HAL_RTC_SetTime(&RtcHandle, &stimestructure, RTC_FORMAT_BIN)!= HAL_OK) /* Initialization Error */ while(1) ; /*##-3- Writes a data in a RTC Backup data Register1 #######################*/ HAL_RTCEx_BKUPWrite(&RtcHandle, RTC_BKP_DR1, 0x32F2);

7 NTP 部分 NTP 协议基于 UDP 进行传输, 使用的 UDP 端口号为 123 使用 LwIP 实现 NTP 协议, 要记得在 Lwipopts.h 里将 LWIP_UDP 宏定义打开下面是一个简单的 NTP 通信流程 : Create New netconn Build ntp packet Connect to NTP server Send ntp request to NTP server Receive NTP server s response Extract time from packet and do processing Update local time(rtc) Delay NTP 通信相关代码 : 建立 NTP Client 的服务进程 void ntp_client_init(void) sys_thread_new("ntp_thread", ntp_thread, NULL, DEFAULT_THREAD_STACKSIZE, NTP_THREAD_PRIO);

8 ntp_thread,ntp_request 与 ntp_process, 完成与服务器的通信以及 NTP 时间格式到可读的年月日格式的转换 static void ntp_thread(void *arg) while(1) /*#-send ntp request ##############################*/ ntp_request(); /*#-update local time #############################*/ printf("rtc time before update\n"); RTC_CalendarShow(); RTC_CalendarUpdate(synchronized_local_time); /*display local time*/ printf("rtc time after update\n"); RTC_CalendarShow(); /*#-delay 1min ######################################*/ osdelay(60*1000); static void ntp_request(void) struct netconn * conn= NULL; struct netbuf * buf = NULL; uint8_t ntp_request_buf[ntp_pkt_len]; uint8_t* ntp_receive_buf_p; uint16_t buf_len; err_t err; //get ntp server address #if USE_DNS if(netconn_gethostbyname(ntp_server_list[0],&ntp_server_addr)!=err_ok) IP4_ADDR(&ntp_server_addr, NTP_Server_ADDR0, NTP_Server_ADDR1, NTP_Server_ADDR2, NTP_Server_ADDR3); #else IP4_ADDR(&ntp_server_addr, NTP_Server_ADDR0, NTP_Server_ADDR1, NTP_Server_ADDR2, NTP_Server_ADDR3); #endif //Create new netconn conn = netconn_new(netconn_udp); if(conn!= NULL)

9 buf = netbuf_new(); if(buf!= NULL) //initialize ntp packet to 0 memset(ntp_request_buf, 0, NTP_PKT_LEN); //buid ntp packet ntp_request_buf[0] = NTP_LI_NO_WARNING NTP_VERSION NTP_MODE_CLIENT; err = netbuf_ref(buf,ntp_request_buf,ntp_pkt_len); if(err ==ERR_OK) //connect to NTP server err = netconn_connect(conn,&ntp_server_addr,ntp_port); if(err == ERR_OK) //Org_Timestamp, read current local time Org_Timestamp = ntp_get_currenttime(); //send ntp request to ntp server if(netconn_send(conn,buf)!=err_ok) netbuf_delete( buf ); //reveive ntp response netconn_recv(conn,&buf); //Destination_Timestamp,read current local time Destination_Timestamp = ntp_get_currenttime(); netbuf_data(buf,(void**)&ntp_receive_buf_p,&buf_len); //check ntp packet if(buf_len==ntp_pkt_len) if(((ntp_receive_buf_p[0]& NTP_MODE_MASK) == NTP_MODE_SERVER) ((ntp_receive_buf_p[0] & NTP_MODE_MASK) == NTP_MODE_BROADCAST)) // extract time from packet Receive_Timestamp = ntp_receive_buf_p[receive_ts_offset]<<24 ntp_receive_buf_p[receive_ts_offset+1]<<16 ntp_receive_buf_p[receive_ts_offset+2]<<8 ntp_receive_buf_p[receive_ts_offset+3]; Transmit_Timestamp = ntp_receive_buf_p[transmit_ts_offset]<<24 ntp_receive_buf_p[transmit_ts_offset+1]<<16 ntp_receive_buf_p[transmit_ts_offset+2]<<8 ntp_receive_buf_p[transmit_ts_offset+3]; // start conver time format

10 ntp_process(transmit_timestamp); netconn_close(conn); netconn_delete(conn); netbuf_delete( buf ); else netconn_delete(conn); netbuf_delete( buf ); else// netconn_delete(conn); netbuf_delete( buf ); else //buf ==NULL netconn_delete(conn); //process /** process the time obtained from NTP server. Change it to a human-readable format. And consider the timezone The NTP timestamp use 1900 as epoch, but the input param of gmtime() function consider 1970 as epoch. None None */ static void ntp_process(uint32_t timestamp) uint32_t local_ntp_timestamp; //minus the difference value of 1900 epoch and 1970 epoch local_ntp_timestamp = timestamp - DIFF_SEC_1900_1970; //consider the time zone local_ntp_timestamp += SEC_TIME_ZONE; //conver to human-readable format synchronized_local_time = gmtime(&local_ntp_timestamp);

编程要点前面已经介绍过 NTP 的时间格式是以 1900 年 1 月 1 日零时为元年, 以秒为单位来表示某个时刻的时间的所以从 NTP 报文中提取到当前的时间后 (NTP 格式 ), 还需要转换成可读的时间格式 ( 年月日, 时分秒 ) C 标准函数库里已经提供了对应的转换函数 gmtime 但 gmtime 处理的时间是以 1970 年 1 月 1 日零时为元年, 所以在调用

verion4 中更详细的描述了 NTP/SNTP 客户端实现时应该注意的事项测试结果将该程序在 STM32F746 Nucleo 板上进行测试硬件连接方式 :STM32F746Nucelo 板连接到 PC,PC 通过无线上网, 将无线连接的属性的高级配置中, 设置允许其他网络用户通过此计算机的 Internet 连接来连接 PC 的有线网口的 IP 地址设为 :192.168.0.

11 编程要点前面已经介绍过 NTP 的时间格式是以 1900 年 1 月 1 日零时为元年, 以秒为单位来表示某个时刻的时间的所以从 NTP 报文中提取到当前的时间后 (NTP 格式 ), 还需要转换成可读的时间格式 ( 年月日, 时分秒 ) C 标准函数库里已经提供了对应的转换函数 gmtime 但 gmtime 处理的时间是以 1970 年 1 月 1 日零时为元年, 所以在调用 gmtime 之前先要减去这 70 年的时间差另外 NTP 时间是不考虑时区的, 所以还需要程序将本地的时区考虑进去在编写客户端程序的时候, 另外一个需要注意的地方就是发起授时请求的间隔时间这个间隔时间不宜太短, 太频繁的请求会加重服务器的负担, 导致不能及时获得响应这个时间间隔应该根据具体系统的精度来计算最大的请求时间间隔, 最小间隔不能小于 15 秒在 RFC4330-SNTP verion4 中更详细的描述了 NTP/SNTP 客户端实现时应该注意的事项测试结果将该程序在 STM32F746 Nucleo 板上进行测试硬件连接方式 :STM32F746Nucelo 板连接到 PC,PC 通过无线上网, 将无线连接的属性的高级配置中, 设置允许其他网络用户通过此计算机的 Internet 连接来连接 PC 的有线网口的 IP 地址设为 : STM32 测试板通过 PC 连接到 Internet STM32F746Nucelo 板的 IP 地址设为 : 网关设为 : 程序向远程网络时间服务器 1.cn.pool.ntp.org 发起请求, 再根据服务器的反馈修改本地时间下面是程序执行的打印信息, 和 wireshark 捕获的通信过程同步前的时间是 :2014 年 2 月 18 日,2:00:00 同步后的时间是 :2016 年 7 月 14 日,11:18:26

12 利用 RTC 的亚秒字段实现高精度同步前面的例程里, 只用到 NTP 时间中的前 32 位只同步到了秒 STM32F7 的 RTC 还可以实现亚秒字段的高精度远程时钟同步在读取 RTC 亚秒字段后 (RTC_SSR 或 RTC_TSSSR), 即可计算远程时钟的时间与本地 RTC 之间的精准时间差之后, 可使用 RTC_SHIFTR 对 RTC 的时钟进行零点几秒的平移, 经过调整后可消除此偏差 RTC_SSR 包含同步预分频器计数器的值这样, 便可计算分辨率低至 1/(PREDIV_S + 1) 秒的 RTC 的准确时间因此, 可通过增大同步预分频器的值 (PREDIV_S[14:0]) 来提高分辨率将 PREDIV_S 设置为 0x7FFF 时, 可得到允许的最大分辨率 (30.52 μs, 时钟频率为 Hz) 提高本地时间的精度 :RTC 频率校准 RTC 的时间精度与所用的时钟频率相关, 想得到高精度的计时, 就需要有精确的时钟频率 RTC 的精密数字校准寄存器可以帮助校准外部时钟频率具体的校准方法可以参看 STM32F7 的参考手册 RTC 章节

13 重要通知 - 请仔细阅读意法半导体公司及其子公司 ( ST ) 保留随时对 ST 产品和 / 或本文档进行变更更正增强修改和改进的权利, 恕不另行通知买方在订货之前应获取关于 ST 产品的最新信息 ST 产品的销售依照订单确认时的相关 ST 销售条款买方自行负责对 ST 产品的选择和使用, ST 概不承担与应用协助或买方产品设计相关的任何责任 ST 不对任何知识产权进行任何明示或默示的授权或许可转售的 ST 产品如有不同于此处提供的信息的规定, 将导致 ST 针对该产品授予的任何保证失效 ST 和 ST 徽标是 ST 的商标所有其他产品或服务名称均为其各自所有者的财产本文档中的信息取代本文档所有早期版本中提供的信息 2015 STMicroelectronics - 保留所有权利

STM32Cube_FW_F4?RTC??????BUG

STM32Cube_FW_F4?RTC??????BUG STM32Cube_FW_F4 中 RTC_Calendar 例程的 BUG 前言实时时钟 (RTC) 是一个独立的 BCD 定时器 / 计数器, 用来提供准确的日历和时间信息准确性是其重要的指标问题某客户在其产品的设计中, 使用了 STM32F429IIT6 客户在使用过程发现一个问题, 虽然已经有使用电池对 VBAT 进行供电, 但是在经常频繁的 VDD 上下电之后, 发现时钟会比准确的时间慢几秒钟