如何實(shí)現(xiàn)RTOS上的微秒級延時設(shè)計(jì)呢？

通常RTOS系統(tǒng)滴答為1KHz，當(dāng)然，也有100Hz，或者10KHz的情況。

1KHz時，系統(tǒng)延時最短為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、著情提高系統(tǒng)時鐘

二、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，如圖所示：

為了方便閱讀以及接下來進(jìn)一步的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，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，如圖所示：

為了更好說明，這里選用 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 0

2、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(&htim9) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim9, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM9_Init 2 */


  /* USER CODE END TIM9_Init 2 */


}

由于我們要使用定時器的定時中斷，所以要對 NVIC 設(shè)置一下，這部分代碼 CubeMX 生成在另一個文件下，為了調(diào)用方便將之與上面的初始化函數(shù)合至一處，如下：

void bsp_InitHardTimer(void)
{
    __HAL_RCC_TIM9_CLK_ENABLE();
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_BRK_TIM9_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_BRK_TIM9_IRQn);
    MX_TIM9_Init();
}

注意，這里調(diào)到初始化函數(shù)就完了，不要開啟定時器，按照設(shè)計(jì)定時器是需要延時的線程在調(diào)用延時函數(shù)時才打開的。

2、 打開定時器的函數(shù)

void bsp_DelayUS(uint32_t n)
{
    n = (n<=30) ? n : (n-30);
    HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim9);
    htim9.Instance->CNT = htim9.Init.Period - n;
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim9);
}

這里注意是“先關(guān)閉再打開”，上面提到了“時間覆蓋”的情況下做延時，就必須先關(guān)閉正在延時中的定時器。

3、 定時器中斷函數(shù)

/**
  * @brief This function handles TIM1 break interrupt and TIM9 global interrupt.
  */
void TIM1_BRK_TIM9_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN TIM1_BRK_TIM9_IRQn 0 */


  /* USER CODE END TIM1_BRK_TIM9_IRQn 0 */
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim9);
  /* USER CODE BEGIN TIM1_BRK_TIM9_IRQn 1 */
  tx_semaphore_put(&tx_semaphore_delay_us);
  HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim9);
  /* USER CODE END TIM1_BRK_TIM9_IRQn 1 */
}

這里調(diào)用了 Microsoft Azure RTOS ThreadX 釋放信號量的 API tx_semaphore_put()，信號量在初始化時建立（省略了建立信號量的代碼）。

us 延時的函數(shù)接口

TX_THREAD       *thread_delay_us;


UINT  tx_thread_sleep_us(ULONG timer_ticks)
{
    TX_THREAD_GET_CURRENT(thread_delay_us)
    bsp_DelayUS(timer_ticks); 
    tx_thread_suspend(thread_delay_us);
    return TX_SUCCESS;
}

這里定義了一個全局變量 thread_delay_us，用 TX_THREAD_GET_CURRENT() 獲取調(diào)用 us 延時的線程，在打開定時器后將線程通過 tx_thread_suspend() 掛起。

High-precision Timer 線程

extern TX_THREAD*      thread_delay_us;


UINT status;
void threadx_task_delay_us_run(ULONG thread_input)
{
    (void)thread_input;


    while(1){
        tx_semaphore_get(&tx_semaphore_delay_us, TX_WAIT_FOREVER);
        if(thread_delay_us){
            status = tx_thread_resume(thread_delay_us);
        }
    }
}

這里同樣省略了線程的建立過程，給出了線程主體：與信號量 tx_semaphore_delay_us 一起完成線程的被動觸發(fā)，以及對 thread_delay_us 線程的 resume。

測試用 us 級的普通定時回調(diào)線程

#include "pthread.h"


VOID    *pthread_test_entry(VOID *pthread1_input)
{
    while(1) 
    {
        //print_task_information();
        uint64_t now = get_timestamp_us();
        tx_thread_sleep_us(100);
        printf("delay_us: %lld
", get_timestamp_us() - now);
    }
}

這是以 posix 接口 API 建立的線程，對 posix 有興趣的可以看下文章《Azure RTOS ThreadX 的 posix 接口》。

時間粒度測試

ThreadX 據(jù)說可以在 200MHz 的 MCU 上達(dá)到亞微秒級的上下文切換，Sugar 測試的時間粒度在 150us 時比較穩(wěn)定。這并不是說 ThreadX 性能不好，而是 STM32F7 定時器一開加一關(guān)大約就要 30us，所以定時精度比 30us 更小時不要開關(guān)定時器，但這次我們的設(shè)計(jì)為了應(yīng)對可能發(fā)生的重入情況，必須有定時器的開關(guān)才行。

怎么知道一開加一關(guān)要 30us 的，原因如圖：

審核編輯：劉清