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)

   float overflow;
   float timeout;
   rt_uint32_t counter;
   int i, index = 0;
   float tv_sec;
   float devi_min = 1;
   float devi;
   /* changed to second */
   overflow = timer->maxcnt/(float)timer->freq;
   tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000;

   if (tv_sec < (1/(float)timer->freq))
   {
       /* little timeout */
       i = 0;
       timeout = 1/(float)timer->freq;
   }
   else
   {
       for (i = 1; i > 0; i ++)
       {
           timeout = tv_sec/i;

           if (timeout <= overflow)
           {
               counter = timeout*timer->freq;
               devi = tv_sec - (counter/(float)timer->freq)*i;
               /* Minimum calculation error */
               if (devi > devi_min)
               {
                   i = index;
                   timeout = tv_sec/i;
                   break;
               }
               else if (devi == 0)
               {
                   break;
               }
               else if (devi < devi_min)
               {
                   devi_min = devi;
                   index = i;
               }
           }
       }
   }

   timer->cycles = i;
   timer->reload = i;
   timer->period_sec = timeout;
   counter = timeout*timer->freq;

   return counter;

第二種實(shí)現(xiàn)，

   rt_uint32_t counter, reload;
   rt_uint32_t timer_cnt;
   int i, index = 0, n0, n1;
   float tv_sec;
   rt_uint32_t dev, dev_min;
   /* changed to second */
   tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000.0;
   timer_cnt = tv_sec * timer->freq;

   if (timer_cnt == 0) {
       timer_cnt = 1;
   }
   if (timer_cnt < timer->maxcnt) {
       timer->cycles = timer->reload = 1;
       timer->period_sec = tv_sec;
       counter = timer_cnt;
       return counter;
   }
   if (timer_cnt % timer->maxcnt == 0) {
       timer->cycles = timer->reload = timer_cnt / timer->maxcnt;
       timer->period_sec = tv_sec;
       counter = timer_cnt;
       return counter;
   }
   n0 = timer_cnt / timer->maxcnt + 1;
   n1 = timer_cnt / 2;
   dev_min = n0;
   for (i = n0; i < n1; i++) {
       reload = (rt_uint32_t)(timer_cnt / i);
       dev = timer_cnt - reload * i;
       if (dev == 0) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }
   }
   timer->cycles = timer->reload = index;
   timer->period_sec = index / timer->freq;
   counter = timer_cnt / index;
   return counter;

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 PK

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

       if (dev == 0) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev > dev_min) {
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }

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` 也不會出現(xiàn)上面 3000+s 慢速。

       if (dev <= 1) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev > dev_min) {
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }

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:

       if (dev <= 500) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }

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)。看似用 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

審核編輯：湯梓紅