基于軟件的時鐘的設(shè)計方案與應(yīng)用

時鐘是硬件設(shè)計人員的標準概念，但不太熟悉軟件工程師。但是，在嵌入式編程（尤其是實時嵌入式編程）中，軟件開發(fā)人員必須在其軟件程序中處理時鐘。本文討論基于軟件的時鐘的基礎(chǔ)知識。

什么是時鐘

時鐘是一種交替固定頻率的信號。

圖1：時鐘信號。

時鐘周期是信號連續(xù)上升沿之間的時間。頻率是上升沿出現(xiàn)的速率（即1/周期）。時間或頻率表征時鐘。在軟件中，要跟蹤時鐘，您只需存儲其中一個值。在本文中，這些示例使用其周期來表征時鐘，因為這使得它們更容易編碼。為了說明，讓我們使用浮點類型來表示它（例如，C double類型）。在實踐中，可以使用任何可以表示時間的類型。通常使用定點表示。

使用時鐘

一旦軟件中有時鐘頻率，您可以通過乘以或除以周期來輕松地對時鐘進行乘法或除法。有關(guān)時鐘的信息可以傳送到遠程系統(tǒng)以遠程重建，或控制與時鐘同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。

輸出時鐘

要輸出時鐘，需要對輸出端口進行高位和低位交替打擊。以下C風格的偽代碼顯示了這個想法：

double t;

int val = 0;

t = get_current_time（）;

while（1）{

t + = period/2;

output_at_time（t，val）;

val = ~val;

}

此處 get_current_time 獲取當前時間， output_at_time 在指定時間向端口輸出值。但是，這些功能僅對軟件系統(tǒng)中固有的某些分辨率是準確的。輸出時鐘的頻率被量化為該分辨率，這意味著頻率可以遠離所需值。你可以通過跟蹤這種量化引起的誤差并隨著時間的推移進行調(diào)整來改善這一點。以下代碼顯示了這一點：

double t;

int val = 0;

double hi = floor（（期間/2）/分辨率）*分辨率;

double lo =（期間/2）-hi;

double err = 0;

t = get_time（）;

while（1）{

t + = hi;

err + = lo;

if（err》 = resolution）{

err - = resolution;

t + = 1;

output_at_time（t，val）;

val = ~val;

}

此算法會跟蹤錯誤，當錯誤變得足夠大以便合并到輸出中時，它會這樣做。使用此方法，輸出時鐘將具有正確的頻率，但量化仍將導致時鐘上的可觀察到的抖動。

恢復時鐘

有時您需要從輸入信號中恢復時鐘，以便將其用作系統(tǒng)中其他處理的基礎(chǔ)。

匹配頻率

最簡單的事情是匹配傳入時鐘的頻率。在特定時間段內(nèi)，計算時鐘上升沿的數(shù)量，然后計算每個上升沿的周期：

period = sample_period/ticks_in;

傳入時鐘隨時間變化，因此您必須定期重新采樣。

使用反饋回路

有時只是匹配時鐘的頻率是不夠的。隨著時間的推移，小的不匹配和調(diào)整會增加，導致您的內(nèi)部時鐘概念和實際時鐘長時間漂移。恢復時鐘的滴答數(shù)可以與原始時鐘的滴答數(shù)不同。為了解決這個問題，您需要不斷調(diào)整時鐘之間的累積誤差，這是一個可以使用PID控制循環(huán)完成的任務(wù)。1

假設(shè)您想要將輸出時鐘與輸入時鐘匹配。其思想是定期調(diào)整輸出時鐘周期。在每個調(diào)整點，查看自上次調(diào)整傳入時鐘（ticks_in）以來的滴答數(shù)以及自上次調(diào)整傳出時鐘（ticks_out）以來的滴答數(shù)。它們之間的區(qū)別在于時鐘的比例誤差。

從比例誤差中，您還可以計算積分（或累計）誤差和差分誤差。然后基于這些值調(diào)整周期以將時鐘周期移向正確的值。隨著時間的推移，算法停留在固定點上，并且比例誤差趨向于零。以下代碼可用于調(diào)整每次更新的時間段：

P = ticks_out -ticks_in;

I = I + P;

D = P -prevP;

period = period + Kp * P + Ki * I + Kd * D;

常數(shù)Kp，Ki和Kd的設(shè)置會影響算法的穩(wěn)定速度以及它可以處理的輸入時鐘的擾動程度。有一套方法可以正確地為你的應(yīng)用程序計算這些常量，這里沒有討論，但一個很好的起點是關(guān)于PID控制循環(huán)的維基百科頁面。

下圖顯示了此類算法隨時間推移的典型誤差。

圖2：PID誤差進程。為什么？

對于硬件工程師來說，上一節(jié)的結(jié)果并不突出。時鐘已經(jīng)以相當復雜的方式路由。那么為什么需要將時鐘帶入軟件領(lǐng)域呢？一個原因是，將時鐘作為軟件中的邏輯實體，您可以對其進行分析并對其進行操作。例如，您可以將要在其他地方使用的時鐘進行小數(shù)乘法，或者可以將其頻率報告給某個更高級別的應(yīng)用程序。但是，一個很大的應(yīng)用是，您可以將時鐘傳輸?shù)较到y(tǒng)的另一部分，并通過僅數(shù)字傳輸進行恢復，而無需顯式傳輸時鐘。例如，時鐘可以通過USB總線或以太網(wǎng)傳輸。如果必須明確連接系統(tǒng)中的每個時鐘信號，這在連接性和靈活性方面帶來了很多好處，這將受到嚴重限制。

要遠程恢復時鐘，您需要傳輸反饋信息（例如，滴答計數(shù)）。這種計算在一段時間內(nèi)仍然需要一個共同的時基，因此系統(tǒng)的所有部分必須具有相同的全球時間感。如何做到這一點超出了本文的范圍，但對于基于總線的系統(tǒng)（如USB或Firewire），總線可能帶有全局時鐘。對于更松散耦合的系統(tǒng)，如以太網(wǎng)或其他分組交換網(wǎng)絡(luò)，需要全局時鐘恢復協(xié)議。