RT-Thread驅(qū)動(dòng)篇：hwtimer重載值算法

硬件定時(shí)器

區(qū)別于 rt-thread 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的兩種定時(shí)器，這種定時(shí)器依賴芯片內(nèi)置的定時(shí)器外設(shè)，依靠穩(wěn)定高速的晶振實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn) rt_timer 無法達(dá)到的定時(shí)精度。硬件定時(shí)器最重要的兩個(gè)參數(shù)是定時(shí)器時(shí)鐘和定時(shí)器重載值。

定時(shí)器時(shí)鐘越高，定時(shí)器精度越高；重載值越大，實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間越長。

在定時(shí)器時(shí)鐘一定的前提下，重載值就決定了定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確性。

兩種計(jì)算重載值算法

hwtimer.c 文件timeout_calc函數(shù)實(shí)現(xiàn)

 1floatoverflow;
 2floattimeout;
 3rt_uint32_tcounter;
 4inti,index=0;
 5floattv_sec;
 6floatdevi_min=1;
 7floatdevi;
 8
 9/*changedtosecond*/
10overflow=timer->maxcnt/(float)timer->freq;
11tv_sec=tv->sec+tv->usec/(float)1000000;
12
13if(tv_sec1/(float)timer->freq))
14{
15/*littletimeout*/
16i=0;
17timeout=1/(float)timer->freq;
18}
19else
20{
21for(i=1;i>0;i++)
22{
23timeout=tv_sec/i;
24
25if(timeout<=?overflow)
26{
27counter=timeout*timer->freq;
28devi=tv_sec-(counter/(float)timer->freq)*i;
29/*Minimumcalculationerror*/
30if(devi>devi_min)
31{
32i=index;
33timeout=tv_sec/i;
34break;
35}
36elseif(devi==0)
37{
38break;
39}
40elseif(devi41{
42devi_min=devi;
43index=i;
44}
45}
46}
47}
48
49timer->cycles=i;
50timer->reload=i;
51timer->period_sec=timeout;
52counter=timeout*timer->freq;
53
54returncounter;

第二種實(shí)現(xiàn)，

 1rt_uint32_tcounter,reload;
 2rt_uint32_ttimer_cnt;
 3inti,index=0,n0,n1;
 4floattv_sec;
 5rt_uint32_tdev,dev_min;
 6
 7/*changedtosecond*/
 8tv_sec=tv->sec+tv->usec/(float)1000000.0;
 9timer_cnt=tv_sec*timer->freq;
10
11if(timer_cnt==0){
12timer_cnt=1;
13}
14if(timer_cntmaxcnt){
15timer->cycles=timer->reload=1;
16timer->period_sec=tv_sec;
17counter=timer_cnt;
18returncounter;
19}
20if(timer_cnt%timer->maxcnt==0){
21timer->cycles=timer->reload=timer_cnt/timer->maxcnt;
22timer->period_sec=tv_sec;
23counter=timer_cnt;
24returncounter;
25}
26n0=timer_cnt/timer->maxcnt+1;
27n1=timer_cnt/2;
28dev_min=n0;
29for(i=n0;i30reload=(rt_uint32_t)(timer_cnt/i);
31dev=timer_cnt-reload*i;
32if(dev==0){
33//end
34index=i;
35break;
36}elseif(dev37dev_min=dev;
38index=i;
39}
40}
41timer->cycles=timer->reload=index;
42timer->period_sec=index/timer->freq;
43counter=timer_cnt/index;
44returncounter;

測試環(huán)境

定時(shí)器頻率設(shè)定 1M。定時(shí)器最大重載值 65535。

系統(tǒng)：win10

IDE：Qt Creator

最大定時(shí)范圍

兩種算法，最主要的差別在于前一種用 float 運(yùn)算，因?yàn)?float 可以表達(dá)的值范圍更大，定時(shí)時(shí)間可以更長。

而在 1M 定時(shí)器時(shí)鐘前提下，用 32 位無符號(hào)整型 timer_cnt，最大可以處理時(shí)間僅有 4294.967295s。

精度 PK

這里不支持嵌入 html 表格，只好貼圖了

分別選各個(gè)量級(jí)的時(shí)間，用兩種算法計(jì)算，第二種算法可以把誤差降低到0，但是也暴露出一些問題，在某些時(shí)間，例如 3.230970s、12.230970s、14.230970s... 誤差是很小，定時(shí)器重載值也很小，這是我們不愿意看到的。

第一種算法，在計(jì)算大于 1000 的數(shù)時(shí)，誤差也隨之增大。比如 1000s 誤差為 3.236ms；4293.0s 誤差為 64.080ms。

運(yùn)算速度

測試方法：抽取某幾個(gè)時(shí)間值，循環(huán) 1M 次運(yùn)算，計(jì)量 1M 次運(yùn)算總耗時(shí)時(shí)間。

從抽取的幾個(gè)值測試結(jié)果看，第一種算法耗時(shí)比較穩(wěn)定，第二種算法對不同值的運(yùn)算時(shí)間差異很大。特別的，3.317s 這個(gè)值用第二種算法，1M 次運(yùn)算總耗時(shí)時(shí)間可能達(dá)到 3000s。

從上一小節(jié)的精度比對可以看出，第二種算法對精度要求太高了。下面降低第二種算法的精度，達(dá)到和第一種一樣的精度再重復(fù)一次。修改代碼如下

 1if(dev==0){
 2//end
 3index=i;
 4break;
 5}elseif(dev>dev_min){
 6break;
 7}elseif(dev 8dev_min=dev;
 9index=i;
10}

再次測試結(jié)果：

我們可以看出來，在相同精度條件下，第二種算法的運(yùn)算速度比第一種快很多，而且耗時(shí)反而變得更集中。

其實(shí)，對結(jié)束條件再次修正，將dev == 0的嚴(yán)苛誤差條件換成dev <= 1也不會(huì)出現(xiàn)上面 3000+s 慢速。

 1if(dev<=?1){
 2//end
 3index=i;
 4break;
 5}elseif(dev>dev_min){
 6break;
 7}elseif(dev 8dev_min=dev;
 9index=i;
10}

超過 4295s 的超長定時(shí)

需要修改rt_uint64_t timer_cnt的定義為 64 位無符號(hào)整型rt_uint64_t timer_cnt。

又因?yàn)槎〞r(shí)時(shí)間很長很長，對誤差要求可以降低一些，對第二種算法做的第二處修改:

1if(dev<=?500){
2//end
3index=i;
4break;
5}elseif(dev6dev_min=dev;
7index=i;
8}

超長時(shí)間，第二種算法的表現(xiàn)也很優(yōu)秀。第三組數(shù)據(jù)第一種方法竟然出錯(cuò)了，沒算出結(jié)果。

下面是 10k 次（沒有進(jìn)行 1W 次是因?yàn)橛行r(shí)間太長了）運(yùn)算時(shí)間統(tǒng)計(jì)

返璞歸真

以上是對兩種算法從不同角度進(jìn)行的比對測驗(yàn)?？此朴?float 可以計(jì)算更大的定時(shí)數(shù)，但是，測試結(jié)果并不那么理想。使用 64位整型數(shù)計(jì)算，可能得到比用 float 更精確的結(jié)果。

使用 32 位無符號(hào)整型數(shù)運(yùn)算雖然最大定時(shí)時(shí)間只有 4294.9s 。但是我們也看到了，第一種方法有可能出現(xiàn)計(jì)算誤差的，當(dāng)誤差超過 1ms 我們用 rt_thread_mdelay 或者 rt-thread 的軟/硬定時(shí)器，可能結(jié)果比硬件定時(shí)器更精確了，反而失去了精確定時(shí)器的意義。在這個(gè)前提下，使用 32 位無符號(hào)整型數(shù)已經(jīng)足夠了。

算法及測試源碼見：

https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo/tree/master/user