时钟定时卡TDC系统工作流程图

graph TB subgraph "输入信号源" GPS[GPS PPS信号] EXT[外部信号] SMA[SMA连接器信号] end subgraph "信号预处理" POL[极性选择器] BUF[输入缓冲器] end subgraph "TDC核心系统" HRCLK[高分辨率时钟域
200MHz] SYSCLK[系统时钟域
50MHz] SHIFT[移位寄存器TDC] CALC[时间戳计算器] end subgraph "时间基准" ADJCLK[可调时钟
Adjustable Clock] LOCALTIME[本地时间基准
秒+纳秒] end subgraph "处理与控制" PI[PI控制器] SERVO[伺服算法] COMP[延迟补偿] end subgraph "输出与接口" IRQ[中断输出] AXI[AXI4接口] CPU[CPU/软件] end GPS --> POL EXT --> POL SMA --> POL POL --> BUF BUF --> SHIFT HRCLK --> SHIFT SHIFT --> CALC SYSCLK --> CALC ADJCLK --> LOCALTIME LOCALTIME --> CALC CALC --> COMP COMP --> PI PI --> SERVO SERVO --> ADJCLK CALC --> IRQ IRQ --> CPU CALC --> AXI AXI --> CPU

sequenceDiagram participant GPS as GPS信号 participant HR as 高分辨率时钟域 participant SYS as 系统时钟域 participant TS as 时间戳处理 participant PI as PI控制器 participant ADJ as 可调时钟 Note over GPS,ADJ: PPS信号处理流程 GPS->>HR: PPS边沿信号 Note right of HR: 200MHz采样 HR->>HR: 移位寄存器记录 loop 高分辨率采样 HR->>HR: shift_reg <= shift_reg[N-2:0] & pps_input end HR->>SYS: 同步到系统时钟域 Note right of SYS: 时钟域切换 SYS->>TS: 检测边沿事件 alt 检测到PPS边沿 TS->>TS: 计算高分辨率延迟 TS->>TS: 补偿输入延迟 TS->>TS: 补偿电缆延迟 TS->>TS: 生成精确时间戳 end TS->>PI: 发送偏移误差 PI->>PI: 计算PI控制输出 PI->>ADJ: 发送调整命令 Note over GPS,ADJ: 完成一次PPS处理循环

sequenceDiagram participant SIG as 输入信号 participant HR as 高分辨率时钟 participant SYS as 系统时钟 participant TS as 时间戳器 participant IRQ as 中断控制 participant CPU as CPU Note over SIG,CPU: 信号时间戳处理流程 SIG->>HR: 信号边沿触发 HR->>HR: 高频采样记录 Note right of HR: TimestampSysClkNx_EvtShiftReg记录 HR->>SYS: 域同步传输 Note right of SYS: 移位寄存器同步 SYS->>TS: 边沿检测 alt 检测到有效边沿 TS->>TS: 计算寄存器延迟 Note right of TS: 分析移位寄存器状态 TS->>TS: 应用延迟补偿 TS->>TS: 生成最终时间戳 TS->>TS: 递增事件计数器 end TS->>IRQ: 检查中断状态 alt 中断未挂起 IRQ->>IRQ: 设置中断标志 IRQ->>CPU: 发送中断信号 IRQ->>TS: 存储时间戳到寄存器 else 中断已挂起 TS->>TS: 设置丢弃标志 Note right of TS: 时间戳被丢弃 end CPU->>IRQ: 读取时间戳 CPU->>IRQ: 清除中断标志 Note over SIG,CPU: 准备处理下一个事件

flowchart TD START([输入信号边沿]) --> HRCLK{高分辨率时钟域} HRCLK --> SHIFT1[移位寄存器采样
shift_reg <= shift_reg N-2:0 & input] SHIFT1 --> SHIFT2[连续移位记录
记录信号状态变化] SHIFT2 --> SYNC[同步到系统时钟域
TimestampSysClk_EvtShiftReg <= TimestampSysClkNx_EvtShiftReg] SYNC --> DETECT{检测边沿?
TimestampSysClk2_EvtReg = '1'
and TimestampSysClk3_EvtReg = '0'} DETECT -->|是| ANALYZE[分析移位寄存器状态] DETECT -->|否| WAIT[等待下一个时钟周期] WAIT --> DETECT ANALYZE --> CALC_DELAY[计算高分辨率延迟] subgraph "延迟计算逻辑" CALC_DELAY --> LOOP_START[遍历移位寄存器位] LOOP_START --> CHECK_BIT{检查位i是否为'1'} CHECK_BIT -->|是,i >= N*2-3| DELAY1[RegisterDelay = 3*ClockPeriod] CHECK_BIT -->|是,i >= N-3| DELAY2[RegisterDelay = 2*ClockPeriod + 精细调整] CHECK_BIT -->|否| DELAY3[RegisterDelay = 2*ClockPeriod] DELAY1 --> DELAY_DONE[延迟计算完成] DELAY2 --> DELAY_DONE DELAY3 --> DELAY_DONE end DELAY_DONE --> COMPENSATE[应用延迟补偿] subgraph "延迟补偿计算" COMPENSATE --> TOTAL_DELAY[总延迟 = 输入延迟 + 寄存器延迟 + 电缆延迟] TOTAL_DELAY --> CHECK_UNDERFLOW{纳秒字段会下溢?} CHECK_UNDERFLOW -->|是| BORROW[从秒字段借位
纳秒 = 1000000000 + 当前纳秒 - 总延迟
秒 = 当前秒 - 1] CHECK_UNDERFLOW -->|否| SUBTRACT[纳秒 = 当前纳秒 - 总延迟
秒 = 当前秒] BORROW --> TIMESTAMP_READY[时间戳准备就绪] SUBTRACT --> TIMESTAMP_READY end TIMESTAMP_READY --> OUTPUT[输出最终时间戳
Timestamp_Second_DatReg
Timestamp_Nanosecond_DatReg] OUTPUT --> TRIGGER[触发后续处理
Timestamp_ValReg = '1'] TRIGGER --> END([流程结束])

flowchart TD START([接收偏移/漂移数据]) --> CHECK_ENABLE{系统使能?} CHECK_ENABLE -->|否| RESET[重置PI积分器
输出零调整] CHECK_ENABLE -->|是| CHECK_VALID{数据有效?} CHECK_VALID -->|否| ERROR[输出错误标志
保持上次输出] CHECK_VALID -->|是| CHECK_JUMP{时间跳跃?
秒字段 != 0} CHECK_JUMP -->|是| TIME_JUMP[直接时间设置
重置积分器] CHECK_JUMP -->|否| PI_CALC[PI控制计算] subgraph "PI控制算法" PI_CALC --> UPDATE_INTEGRAL[更新积分项
根据误差符号累加/相减] UPDATE_INTEGRAL --> CALC_P[计算比例项
P_out = Kp × error] CALC_P --> CALC_I[计算积分项
I_out = Ki × integral] CALC_I --> COMBINE[组合PI输出
output = P_out + I_out] COMBINE --> LIMIT_CHECK{输出限幅检查} LIMIT_CHECK -->|超限| LIMIT[限制到最大值
重置积分器] LIMIT_CHECK -->|正常| NORMAL[正常输出] LIMIT --> PI_OUTPUT[PI控制器输出] NORMAL --> PI_OUTPUT end TIME_JUMP --> DIRECT_OUTPUT[直接调整输出] PI_OUTPUT --> FORMAT[格式化输出] DIRECT_OUTPUT --> FORMAT ERROR --> FORMAT RESET --> FORMAT FORMAT --> OUTPUT_REGS[更新输出寄存器
OffsetAdjustment_*
DriftAdjustment_*] OUTPUT_REGS --> TRIGGER[触发调整信号
Adjustment_ValOut = '1'] TRIGGER --> END([发送到可调时钟])

flowchart TD START([时间戳生成完成]) --> CHECK_ENABLE{时间戳器使能?} CHECK_ENABLE -->|否| DISABLE[清除所有中断
重置计数器] CHECK_ENABLE -->|是| CHECK_IRQ{当前中断状态?} CHECK_IRQ -->|无中断挂起| NEW_IRQ[设置新中断] CHECK_IRQ -->|中断已挂起| DROP[设置丢弃标志
TimestamperStatus_DropBit = '1'] subgraph "新中断处理" NEW_IRQ --> SET_IRQ[设置中断标志
TimestamperIrq_TimestampBit = '1'] SET_IRQ --> STORE_TS[存储时间戳
TimestamperTimeValueL/H_DatReg] STORE_TS --> STORE_COUNT[存储事件计数
TimestamperCount_DatReg] STORE_COUNT --> UPDATE_TOTAL[更新总事件计数
TimestamperEvtCount_DatReg++] UPDATE_TOTAL --> CHECK_MASK{中断屏蔽?} CHECK_MASK -->|未屏蔽| SEND_IRQ[发送中断到CPU
Irq_EvtOut = '1'] CHECK_MASK -->|已屏蔽| NO_IRQ[不发送中断] end DROP --> UPDATE_DROP[更新丢弃计数] SEND_IRQ --> WAIT_CPU[等待CPU响应] NO_IRQ --> WAIT_CPU UPDATE_DROP --> WAIT_CPU DISABLE --> END WAIT_CPU --> CPU_READ{CPU读取时间戳?} CPU_READ -->|是| CLEAR_IRQ[CPU清除中断标志] CPU_READ -->|否| WAIT_CPU CLEAR_IRQ --> READY[准备处理下一个事件] READY --> END([流程结束])

flowchart LR subgraph "信号输入层" GPS_IN[GPS PPS] EXT_IN[外部信号] SMA_IN[SMA信号] end subgraph "TDC处理层" direction TB PPSTDC[PPS Slave TDC
GPS同步处理] SIGTDC[Signal Timestamper TDC
通用信号时间戳] FREQTDC[Frequency Counter TDC
频率测量] end subgraph "时间基准层" ADJCLK[可调时钟
系统时间基准] CLKDET[时钟检测器
时钟源选择] end subgraph "控制算法层" PI_OFFSET[偏移PI控制器] PI_DRIFT[漂移PI控制器] TOD[TOD Slave
绝对时间获取] end subgraph "接口层" AXI_BUS[AXI4总线] IRQ_CTRL[中断控制器] PCIE[PCIe接口] end GPS_IN --> PPSTDC EXT_IN --> SIGTDC SMA_IN --> FREQTDC PPSTDC --> PI_OFFSET PPSTDC --> PI_DRIFT PI_OFFSET --> ADJCLK PI_DRIFT --> ADJCLK TOD --> ADJCLK CLKDET --> ADJCLK ADJCLK --> PPSTDC ADJCLK --> SIGTDC ADJCLK --> FREQTDC SIGTDC --> IRQ_CTRL PPSTDC --> AXI_BUS SIGTDC --> AXI_BUS FREQTDC --> AXI_BUS AXI_BUS --> PCIE IRQ_CTRL --> PCIE

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总处理延迟 = 高分辨率采样延迟 + 域同步延迟 + 计算延迟 + 输出延迟

其中:
- 高分辨率采样延迟: 0-5ns (取决于信号到达时间)
- 域同步延迟: 20ns (1个系统时钟周期)
- 计算延迟: 40-60ns (2-3个系统时钟周期)
- 输出延迟: 20ns (1个系统时钟周期)

总延迟范围: 80-105ns

sequenceDiagram participant CPU as CPU软件 participant AXI as AXI总线 participant TS as 时间戳器 participant IRQ as 中断控制器 Note over CPU,IRQ: 时间戳读取流程 IRQ->>CPU: 中断信号 CPU->>AXI: 读取中断状态寄存器 AXI->>TS: 访问TimestamperIrq_Reg TS->>AXI: 返回中断状态 AXI->>CPU: 中断状态数据 alt 有时间戳中断 CPU->>AXI: 读取时间戳低32位 AXI->>TS: 访问TimestamperTimeValueL_Reg TS->>AXI: 返回纳秒字段 AXI->>CPU: 纳秒数据 CPU->>AXI: 读取时间戳高32位 AXI->>TS: 访问TimestamperTimeValueH_Reg TS->>AXI: 返回秒字段 AXI->>CPU: 秒数据 CPU->>AXI: 读取事件计数 AXI->>TS: 访问TimestamperCount_Reg TS->>AXI: 返回计数值 AXI->>CPU: 计数数据 CPU->>AXI: 清除中断标志 AXI->>TS: 写TimestamperIrq_Reg TS->>TS: 清除中断位 TS->>IRQ: 取消中断信号 end Note over CPU,IRQ: 准备处理下一个中断

flowchart TD START([新时间戳事件]) --> CHECK_IRQ{检查中断状态} CHECK_IRQ -->|无中断挂起| NORMAL[正常处理流程] CHECK_IRQ -->|中断已挂起| DROP_EVENT[丢弃当前事件] NORMAL --> PROCESS[处理时间戳] PROCESS --> SET_IRQ[设置中断标志] SET_IRQ --> STORE[存储时间戳数据] DROP_EVENT --> SET_DROP[设置丢弃标志
TimestamperStatus_DropBit = '1'] SET_DROP --> COUNT_DROP[递增丢弃计数] COUNT_DROP --> LOG[记录丢弃事件] STORE --> SUCCESS[处理成功] LOG --> DROPPED[事件已丢弃] SUCCESS --> END([等待CPU读取]) DROPPED --> END