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一粒金砂(中级)

RT-Thread 驱动篇之hwtimer 重载值算法 [复制链接]

硬件定时器

区别于 rt-thread 内核实现的两种定时器,这种定时器依赖芯片内置的定时器外设,依靠稳定高速的晶振实现精确定时,可以实现 rt_timer 无法达到的定时精度。硬件定时器最重要的两个参数是定时器时钟和定时器重载值。

定时器时钟越高,定时器精度越高;重载值越大,实现的定时时间越长。

在定时器时钟一定的前提下,重载值就决定了定时器定时时间的准确性。

两种计算重载值算法

hwtimer.c 文件 timeout_calc 函数实现

 1    float overflow;
 2    float timeout;
 3    rt_uint32_t counter;
 4    int i, index = 0;
 5    float tv_sec;
 6    float devi_min = 1;
 7    float devi;
 8
 9    /* changed to second */
10    overflow = timer->maxcnt/(float)timer->freq;
11    tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000;
12
13    if (tv_sec < (1/(float)timer->freq))
14    {
15        /* little timeout */
16        i = 0;
17        timeout = 1/(float)timer->freq;
18    }
19    else
20    {
21        for (i = 1; i > 0; i ++)
22        {
23            timeout = tv_sec/i;
24
25            if (timeout <= overflow)
26            {
27                counter = timeout*timer->freq;
28                devi = tv_sec - (counter/(float)timer->freq)*i;
29                /* Minimum calculation error */
30                if (devi > devi_min)
31                {
32                    i = index;
33                    timeout = tv_sec/i;
34                    break;
35                }
36                else if (devi == 0)
37                {
38                    break;
39                }
40                else if (devi < devi_min)
41                {
42                    devi_min = devi;
43                    index = i;
44                }
45            }
46        }
47    }
48
49    timer->cycles = i;
50    timer->reload = i;
51    timer->period_sec = timeout;
52    counter = timeout*timer->freq;
53
54    return counter;

 

第二种实现,

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

测试环境

定时器频率设定 1M。定时器最大重载值 65535。

系统:win10

IDE:Qt Creator

最大定时范围

两种算法,最主要的差别在于前一种用 float 运算,因为 float 可以表达的值范围更大,定时时间可以更长。

而在 1M 定时器时钟前提下,用 32 位无符号整型 timer_cnt,最大可以处理时间仅有 4294.967295s。

精度 PK

1.png

这里不支持嵌入 html 表格,只好贴图了

分别选各个量级的时间,用两种算法计算,第二种算法可以把误差降低到0,但是也暴露出一些问题,在某些时间,例如 3.230970s、12.230970s、14.230970s... 误差是很小,定时器重载值也很小,这是我们不愿意看到的。

第一种算法,在计算大于 1000 的数时,误差也随之增大。比如 1000s 误差为 3.236ms;4293.0s 误差为 64.080ms。

运算速度

测试方法:抽取某几个时间值,循环 1M 次运算,计量 1M 次运算总耗时时间。

 

 

从抽取的几个值测试结果看,第一种算法耗时比较稳定,第二种算法对不同值的运算时间差异很大。特别的,3.317s 这个值用第二种算法,1M 次运算总耗时时间可能达到 3000s。

从上一小节的精度比对可以看出,第二种算法对精度要求太高了。下面降低第二种算法的精度,达到和第一种一样的精度再重复一次。修改代码如下

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

 

再次测试结果:

2.png

 

我们可以看出来,在相同精度条件下,第二种算法的运算速度比第一种快很多,而且耗时反而变得更集中。

其实,对结束条件再次修正,将 dev == 0 的严苛误差条件换成 dev <= 1 也不会出现上面 3000+s 慢速。

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

超过 4295s 的超长定时

需要修改 rt_uint64_t timer_cnt 的定义为 64 位无符号整型 rt_uint64_t timer_cnt 。

又因为定时时间很长很长,对误差要求可以降低一些,对第二种算法做的第二处修改:

1        if (dev <= 500) {
2            // end
3            index = i;
4            break;
5        } else if (dev < dev_min) {
6            dev_min = dev;
7            index = i;
8        }

 

超长时间,第二种算法的表现也很优秀。第三组数据第一种方法竟然出错了,没算出结果。

下面是 10k 次(没有进行 1W 次是因为有些时间太长了)运算时间统计

 

返璞归真

以上是对两种算法从不同角度进行的比对测验。看似用 float 可以计算更大的定时数,但是,测试结果并不那么理想。使用 64位整型数计算,可能得到比用 float 更精确的结果。

使用 32 位无符号整型数运算虽然最大定时时间只有 4294.9s 。但是我们也看到了,第一种方法有可能出现计算误差的,当误差超过 1ms 我们用 rt_thread_mdelay 或者 rt-thread 的软/硬定时器,可能结果比硬件定时器更精确了,反而失去了精确定时器的意义。在这个前提下,使用 32 位无符号整型数已经足够了。

算法及测试源码见:

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


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