RTOS?上微秒級延時方案
微秒級延時設(shè)計(jì)方案
一般 RTOS 系統(tǒng)時鐘 1KHz 的情況下,thread_sleep() 的最短時間是 1ms。在實(shí)時控制中有些情況需要微秒(us)級延時,這該怎么辦呢?微秒級延時有兩種實(shí)現(xiàn)思路:一是著情提高系統(tǒng)時鐘,二是使用 MCU 的高精度定時器。一、著情提高系統(tǒng)時鐘
之所以說是“著情”提高的原因是:系統(tǒng)時鐘越快,單位時間內(nèi)的線程調(diào)度次數(shù)越多,也就是說花在調(diào)度的時間會大幅增加,這對線程的功能不利。真正做事的是線程函數(shù),如果 CPU 會說話,過快的線程調(diào)度將會引起 CPU 的極度不滿。線程是 CPU 具體要做的事,剛把 CPU 調(diào)過來做事,事沒做完就拉跑做另一件事,CPU 會說:“傻瓜,瘋了嗎?不是讓我做事的碼,干嘛老是拉著我跑這跑那,就不能讓我干完了再走碼?!”二、使用 MCU 片上外設(shè)定時器
一般 MCU 都會有片上高精度定時器外設(shè),可以配置到 1us 精度。即然用定時器可以,那就用定時器唄,還寫什么文章?當(dāng)然不只是開啟定時器這么簡單,RTOS 要實(shí)現(xiàn)的是阻塞延時,任務(wù)進(jìn)入延時要交出 CPU 使用權(quán)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。在 RTOS 上用定時器躺平死等是無賴行為,睡眠讓權(quán)才能實(shí)現(xiàn)良好的多線程調(diào)度。雖然 us 級延時時間短,在一個線程處于延時中時另一個線程又要開始延時的情況發(fā)生概率不大。但是在多線程情況下延時依舊有可能發(fā)生重入,比如一個線程要延時 500us,剛過 100us 另一個線程就要延時 200us,這種情況不但發(fā)生了重入,還有“時間覆蓋”(200us 覆蓋了上一個線程剩余的 400us 里的時間段),這些情況也不是光靠一個硬件高精度定時器就能應(yīng)對的。多線程延時工況分析
先來看一張多線程延時工況圖,如“圖1”所示:圖1. 多線程延時工況01
為了方便閱讀以及接下來進(jìn)一步的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),Sugar 在上圖基礎(chǔ)上加了一些注釋,對多線程的工況進(jìn)行更細(xì)致一點(diǎn)的描述,如“圖2”所示:
圖2. 多線程延時工況02
為了更好說明 Sugar 選用最近長勢正盛的 Microsoft Azure RTOS ThreadX 做基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)這個設(shè)計(jì)。目的在于輸出通用方法,具體選什么 RTOS 并不重要,是個多線程就行,比如:RT-Thread、FreeRTOS 等都可以。圖中的 A、B、C 和 High-precision Timer 是 4 個線程。其中 High-precision Timer 線程優(yōu)先級最高,但不是定時回調(diào)的,而是被動觸發(fā)。下面說說為什么 High-precision Timer 線程優(yōu)先級要最高,以及如何被動觸發(fā)。我們知道線程中用
WAIT_FOREVER
方式等待信號量的時候,若信號量的值為 0 則線程會被掛起在這個信號量下。我們就利用這個特點(diǎn)來完成線程的“被動觸發(fā)”,即:1、信號量建立時初值為 02、在中斷中釋放一次信號量(即信號量值加 1)這樣中斷發(fā)生后就能立刻喚醒掛起在該信號量下的線程,即完成了線程的被動觸發(fā)。線程轉(zhuǎn)為就緒態(tài)后,因其優(yōu)先級最高,會立即搶占調(diào)度器得到執(zhí)行。在 Hight-precision Timer 線程被信號量喚醒后,立即對延時時間到的線程進(jìn)行 resume 操作,這樣就完成了線程的 us 延時。我們回看一下上面圖中的 A、B、C 三個線程,每條線上都串了兩個圈圈,每條線從上往下第一個圈是延時主動掛起,第二個圈是時間到后被 High-precision Timer 線程 resume 回來繼續(xù)執(zhí)行。至此讀圖的方法基本說清楚了,如果要落實(shí)到代碼,其實(shí)還有個“硬件定時器與 High-precision Timer 線程”的關(guān)系。圖中標(biāo)在 High-precision Timer 左邊的標(biāo)簽是說:因?yàn)橛布〞r器產(chǎn)生了中斷,才使得 High-precision Timer 線程對延時時間到的線程進(jìn)行 resume。上面說“被動觸發(fā)”的時候有說到相關(guān)原理,其實(shí)上面圖的最右邊應(yīng)該再放一列表示“硬件定時器”就更好理解原理了。沒有放的原因是這里要考慮“可重入”,這個瓜有點(diǎn)多,一車裝不下,裝少了說不完善,裝多了眼花繚亂,所以就沒畫“硬件定時器”這一列。代碼實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)的阻塞延時,代碼要劃分為四個部分:一、 要配置一個 us 級定時器;二、 要做一個 us 延時的函數(shù)接口;三、 要有一個 High-precision Timer 線程;四、 要有一個測試用 us 級的普通定時回調(diào)線程。下面 Sugar 以 STM32 為例逐一上代碼。us 級定時器配置
1、 定時器初始化
這里直接使用 CubeMX 生成的函數(shù)最方便,一行不改,如下:/**
* @brief TIM9 Initialization Function
* @param None
* @retval None
*/
static void MX_TIM9_Init(void)
{
/* USER CODE BEGIN TIM9_Init 0 */
/* USER CODE END TIM9_Init 0 */
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
/* USER CODE BEGIN TIM9_Init 1 */
/* USER CODE END TIM9_Init 1 */
htim9.Instance = TIM9;
htim9.Init.Prescaler = 215;
htim9.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim9.Init.Period = 65535;
htim9.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim9.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
if (HAL_TIM_Base_Init(