Documentation/pps/pps.txt

   1
   2                         PPS - Pulse Per Second
   3                         ----------------------
   4
   5 (C) Copyright 2007 Rodolfo Giometti <giometti@enneenne.com>
   6
   7 This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   8 it under the terms of the GNU General Public License as published by
   9 the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  10 (at your option) any later version.
  11
  12 This program is distributed in the hope that it will be useful,
  13 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  14 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  15 GNU General Public License for more details.
  16
  17
  18
  19 Overview
  20 --------
  21
  22 LinuxPPS provides a programming interface (API) to define in the
  23 system several PPS sources.
  24
  25 PPS means "pulse per second" and a PPS source is just a device which
  26 provides a high precision signal each second so that an application
  27 can use it to adjust system clock time.
  28
  29 A PPS source can be connected to a serial port (usually to the Data
  30 Carrier Detect pin) or to a parallel port (ACK-pin) or to a special
  31 CPU's GPIOs (this is the common case in embedded systems) but in each
  32 case when a new pulse arrives the system must apply to it a timestamp
  33 and record it for userland.
  34
  35 Common use is the combination of the NTPD as userland program, with a
  36 GPS receiver as PPS source, to obtain a wallclock-time with
  37 sub-millisecond synchronisation to UTC.
  38
  39
  40 RFC considerations
  41 ------------------
  42
  43 While implementing a PPS API as RFC 2783 defines and using an embedded
  44 CPU GPIO-Pin as physical link to the signal, I encountered a deeper
  45 problem:
  46
  47    At startup it needs a file descriptor as argument for the function
  48    time_pps_create().
  49
  50 This implies that the source has a /dev/... entry. This assumption is
  51 ok for the serial and parallel port, where you can do something
  52 useful besides(!) the gathering of timestamps as it is the central
  53 task for a PPS-API. But this assumption does not work for a single
  54 purpose GPIO line. In this case even basic file-related functionality
  55 (like read() and write()) makes no sense at all and should not be a
  56 precondition for the use of a PPS-API.
  57
  58 The problem can be simply solved if you consider that a PPS source is
  59 not always connected with a GPS data source.
  60
  61 So your programs should check if the GPS data source (the serial port
  62 for instance) is a PPS source too, and if not they should provide the
  63 possibility to open another device as PPS source.
  64
  65 In LinuxPPS the PPS sources are simply char devices usually mapped
  66 into files /dev/pps0, /dev/pps1, etc..
  67
  68
  69 PPS with USB to serial devices
  70 ------------------------------
  71
  72 It is possible to grab the PPS from an USB to serial device. However,
  73 you should take into account the latencies and jitter introduced by
  74 the USB stack. Users has reported clock instability around +-1ms when
  75 synchronized with PPS through USB. This isn't suited for time server
  76 synchronization.
  77
  78 If your device doesn't report PPS, you can check that the feature is
  79 supported by its driver. Most of the time, you only need to add a call
  80 to usb_serial_handle_dcd_change after checking the DCD status (see
  81 ch341 and pl2303 examples).
  82
  83
  84 Coding example
  85 --------------
  86
  87 To register a PPS source into the kernel you should define a struct
  88 pps_source_info_s as follows:
  89
  90     static struct pps_source_info pps_ktimer_info = {
  91             .name         = "ktimer",
  92             .path         = "",
  93             .mode         = PPS_CAPTUREASSERT | PPS_OFFSETASSERT | \
  94                             PPS_ECHOASSERT | \
  95                             PPS_CANWAIT | PPS_TSFMT_TSPEC,
  96             .echo         = pps_ktimer_echo,
  97             .owner        = THIS_MODULE,
  98     };
  99
 100 and then calling the function pps_register_source() in your
 101 intialization routine as follows:
 102
 103     source = pps_register_source(&pps_ktimer_info,
 104                         PPS_CAPTUREASSERT | PPS_OFFSETASSERT);
 105
 106 The pps_register_source() prototype is:
 107
 108   int pps_register_source(struct pps_source_info_s *info, int default_params)
 109
 110 where "info" is a pointer to a structure that describes a particular
 111 PPS source, "default_params" tells the system what the initial default
 112 parameters for the device should be (it is obvious that these parameters
 113 must be a subset of ones defined in the struct
 114 pps_source_info_s which describe the capabilities of the driver).
 115
 116 Once you have registered a new PPS source into the system you can
 117 signal an assert event (for example in the interrupt handler routine)
 118 just using:
 119
 120     pps_event(source, &ts, PPS_CAPTUREASSERT, ptr)
 121
 122 where "ts" is the event's timestamp.
 123
 124 The same function may also run the defined echo function
 125 (pps_ktimer_echo(), passing to it the "ptr" pointer) if the user
 126 asked for that... etc..
 127
 128 Please see the file drivers/pps/clients/pps-ktimer.c for example code.
 129
 130
 131 SYSFS support
 132 -------------
 133
 134 If the SYSFS filesystem is enabled in the kernel it provides a new class:
 135
 136    $ ls /sys/class/pps/
 137    pps0/  pps1/  pps2/
 138
 139 Every directory is the ID of a PPS sources defined in the system and
 140 inside you find several files:
 141
 142    $ ls /sys/class/pps/pps0/
 143    assert       clear  echo  mode  name  path  subsystem@  uevent
 144
 145 Inside each "assert" and "clear" file you can find the timestamp and a
 146 sequence number:
 147
 148    $ cat /sys/class/pps/pps0/assert
 149    1170026870.983207967#8
 150
 151 Where before the "#" is the timestamp in seconds; after it is the
 152 sequence number. Other files are:
 153
 154 * echo: reports if the PPS source has an echo function or not;
 155
 156 * mode: reports available PPS functioning modes;
 157
 158 * name: reports the PPS source's name;
 159
 160 * path: reports the PPS source's device path, that is the device the
 161   PPS source is connected to (if it exists).
 162
 163
 164 Testing the PPS support
 165 -----------------------
 166
 167 In order to test the PPS support even without specific hardware you can use
 168 the ktimer driver (see the client subsection in the PPS configuration menu)
 169 and the userland tools provided in the Documentation/pps/ directory.
 170
 171 Once you have enabled the compilation of ktimer just modprobe it (if
 172 not statically compiled):
 173
 174    # modprobe ktimer
 175
 176 and the run ppstest as follow:
 177
 178    $ ./ppstest /dev/pps0
 179    trying PPS source "/dev/pps1"
 180    found PPS source "/dev/pps1"
 181    ok, found 1 source(s), now start fetching data...
 182    source 0 - assert 1186592699.388832443, sequence: 364 - clear  0.000000000, sequence: 0
 183    source 0 - assert 1186592700.388931295, sequence: 365 - clear  0.000000000, sequence: 0
 184    source 0 - assert 1186592701.389032765, sequence: 366 - clear  0.000000000, sequence: 0
 185
 186 Please, note that to compile userland programs you need the file timepps.h
 187 (see Documentation/pps/).
 188
 189
 190 Generators
 191 ----------
 192
 193 Sometimes one needs to be able not only to catch PPS signals but to produce
 194 them also. For example, running a distributed simulation, which requires
 195 computers' clock to be synchronized very tightly. One way to do this is to
 196 invent some complicated hardware solutions but it may be neither necessary
 197 nor affordable. The cheap way is to load a PPS generator on one of the
 198 computers (master) and PPS clients on others (slaves), and use very simple
 199 cables to deliver signals using parallel ports, for example.
 200
 201 Parallel port cable pinout:
 202 pin     name    master      slave
 203 1       STROBE    *------     *
 204 2       D0        *     |     *
 205 3       D1        *     |     *
 206 4       D2        *     |     *
 207 5       D3        *     |     *
 208 6       D4        *     |     *
 209 7       D5        *     |     *
 210 8       D6        *     |     *
 211 9       D7        *     |     *
 212 10      ACK       *     ------*
 213 11      BUSY      *           *
 214 12      PE        *           *
 215 13      SEL       *           *
 216 14      AUTOFD    *           *
 217 15      ERROR     *           *
 218 16      INIT      *           *
 219 17      SELIN     *           *
 220 18-25   GND       *-----------*
 221
 222 Please note that parallel port interrupt occurs only on high->low transition,
 223 so it is used for PPS assert edge. PPS clear edge can be determined only
 224 using polling in the interrupt handler which actually can be done way more
 225 precisely because interrupt handling delays can be quite big and random. So
 226 current parport PPS generator implementation (pps_gen_parport module) is
 227 geared towards using the clear edge for time synchronization.
 228
 229 Clear edge polling is done with disabled interrupts so it's better to select
 230 delay between assert and clear edge as small as possible to reduce system
 231 latencies. But if it is too small slave won't be able to capture clear edge
 232 transition. The default of 30us should be good enough in most situations.
 233 The delay can be selected using 'delay' pps_gen_parport module parameter.