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 Coding example
  70 --------------
  71
  72 To register a PPS source into the kernel you should define a struct
  73 pps_source_info_s as follows:
  74
  75     static struct pps_source_info pps_ktimer_info = {
  76             .name         = "ktimer",
  77             .path         = "",
  78             .mode         = PPS_CAPTUREASSERT | PPS_OFFSETASSERT | \
  79                             PPS_ECHOASSERT | \
  80                             PPS_CANWAIT | PPS_TSFMT_TSPEC,
  81             .echo         = pps_ktimer_echo,
  82             .owner        = THIS_MODULE,
  83     };
  84
  85 and then calling the function pps_register_source() in your
  86 intialization routine as follows:
  87
  88     source = pps_register_source(&pps_ktimer_info,
  89                         PPS_CAPTUREASSERT | PPS_OFFSETASSERT);
  90
  91 The pps_register_source() prototype is:
  92
  93   int pps_register_source(struct pps_source_info_s *info, int default_params)
  94
  95 where "info" is a pointer to a structure that describes a particular
  96 PPS source, "default_params" tells the system what the initial default
  97 parameters for the device should be (it is obvious that these parameters
  98 must be a subset of ones defined in the struct
  99 pps_source_info_s which describe the capabilities of the driver).
 100
 101 Once you have registered a new PPS source into the system you can
 102 signal an assert event (for example in the interrupt handler routine)
 103 just using:
 104
 105     pps_event(source, &ts, PPS_CAPTUREASSERT, ptr)
 106
 107 where "ts" is the event's timestamp.
 108
 109 The same function may also run the defined echo function
 110 (pps_ktimer_echo(), passing to it the "ptr" pointer) if the user
 111 asked for that... etc..
 112
 113 Please see the file drivers/pps/clients/ktimer.c for example code.
 114
 115
 116 SYSFS support
 117 -------------
 118
 119 If the SYSFS filesystem is enabled in the kernel it provides a new class:
 120
 121    $ ls /sys/class/pps/
 122    pps0/  pps1/  pps2/
 123
 124 Every directory is the ID of a PPS sources defined in the system and
 125 inside you find several files:
 126
 127    $ ls /sys/class/pps/pps0/
 128    assert       clear  echo  mode  name  path  subsystem@  uevent
 129
 130 Inside each "assert" and "clear" file you can find the timestamp and a
 131 sequence number:
 132
 133    $ cat /sys/class/pps/pps0/assert
 134    1170026870.983207967#8
 135
 136 Where before the "#" is the timestamp in seconds; after it is the
 137 sequence number. Other files are:
 138
 139 * echo: reports if the PPS source has an echo function or not;
 140
 141 * mode: reports available PPS functioning modes;
 142
 143 * name: reports the PPS source's name;
 144
 145 * path: reports the PPS source's device path, that is the device the
 146   PPS source is connected to (if it exists).
 147
 148
 149 Testing the PPS support
 150 -----------------------
 151
 152 In order to test the PPS support even without specific hardware you can use
 153 the ktimer driver (see the client subsection in the PPS configuration menu)
 154 and the userland tools provided into Documentaion/pps/ directory.
 155
 156 Once you have enabled the compilation of ktimer just modprobe it (if
 157 not statically compiled):
 158
 159    # modprobe ktimer
 160
 161 and the run ppstest as follow:
 162
 163    $ ./ppstest /dev/pps0
 164    trying PPS source "/dev/pps1"
 165    found PPS source "/dev/pps1"
 166    ok, found 1 source(s), now start fetching data...
 167    source 0 - assert 1186592699.388832443, sequence: 364 - clear  0.000000000, sequence: 0
 168    source 0 - assert 1186592700.388931295, sequence: 365 - clear  0.000000000, sequence: 0
 169    source 0 - assert 1186592701.389032765, sequence: 366 - clear  0.000000000, sequence: 0
 170
 171 Please, note that to compile userland programs you need the file timepps.h
 172 (see Documentation/pps/).
 173
 174
 175 Generators
 176 ----------
 177
 178 Sometimes one needs to be able not only to catch PPS signals but to produce
 179 them also. For example, running a distributed simulation, which requires
 180 computers' clock to be synchronized very tightly. One way to do this is to
 181 invent some complicated hardware solutions but it may be neither necessary
 182 nor affordable. The cheap way is to load a PPS generator on one of the
 183 computers (master) and PPS clients on others (slaves), and use very simple
 184 cables to deliver signals using parallel ports, for example.
 185
 186 Parallel port cable pinout:
 187 pin     name    master      slave
 188 1       STROBE    *------     *
 189 2       D0        *     |     *
 190 3       D1        *     |     *
 191 4       D2        *     |     *
 192 5       D3        *     |     *
 193 6       D4        *     |     *
 194 7       D5        *     |     *
 195 8       D6        *     |     *
 196 9       D7        *     |     *
 197 10      ACK       *     ------*
 198 11      BUSY      *           *
 199 12      PE        *           *
 200 13      SEL       *           *
 201 14      AUTOFD    *           *
 202 15      ERROR     *           *
 203 16      INIT      *           *
 204 17      SELIN     *           *
 205 18-25   GND       *-----------*
 206
 207 Please note that parallel port interrupt occurs only on high->low transition,
 208 so it is used for PPS assert edge. PPS clear edge can be determined only
 209 using polling in the interrupt handler which actually can be done way more
 210 precisely because interrupt handling delays can be quite big and random. So
 211 current parport PPS generator implementation (pps_gen_parport module) is
 212 geared towards using the clear edge for time synchronization.
 213
 214 Clear edge polling is done with disabled interrupts so it's better to select
 215 delay between assert and clear edge as small as possible to reduce system
 216 latencies. But if it is too small slave won't be able to capture clear edge
 217 transition. The default of 30us should be good enough in most situations.
 218 The delay can be selected using 'delay' pps_gen_parport module parameter.