RTOS?上微秒級(jí)延時(shí)方案

微秒級(jí)延時(shí)設(shè)計(jì)方案

一般 RTOS 系統(tǒng)時(shí)鐘 1KHz 的情況下，thread_sleep() 的最短時(shí)間是 1ms。在實(shí)時(shí)控制中有些情況需要微秒(us)級(jí)延時(shí)，這該怎么辦呢？

微秒級(jí)延時(shí)有兩種實(shí)現(xiàn)思路：一是著情提高系統(tǒng)時(shí)鐘，二是使用 MCU 的高精度定時(shí)器。

一、著情提高系統(tǒng)時(shí)鐘

之所以說(shuō)是“著情”提高的原因是：系統(tǒng)時(shí)鐘越快，單位時(shí)間內(nèi)的線程調(diào)度次數(shù)越多，也就是說(shuō)花在調(diào)度的時(shí)間會(huì)大幅增加，這對(duì)線程的功能不利。真正做事的是線程函數(shù)，如果 CPU 會(huì)說(shuō)話，過(guò)快的線程調(diào)度將會(huì)引起 CPU 的極度不滿。線程是 CPU 具體要做的事，剛把 CPU 調(diào)過(guò)來(lái)做事，事沒(méi)做完就拉跑做另一件事，CPU 會(huì)說(shuō)：“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(shí)器

一般 MCU 都會(huì)有片上高精度定時(shí)器外設(shè)，可以配置到 1us 精度。即然用定時(shí)器可以，那就用定時(shí)器唄，還寫什么文章？當(dāng)然不只是開(kāi)啟定時(shí)器這么簡(jiǎn)單，RTOS 要實(shí)現(xiàn)的是阻塞延時(shí)，任務(wù)進(jìn)入延時(shí)要交出 CPU 使用權(quán)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。在 RTOS 上用定時(shí)器躺平死等是無(wú)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(jí)延時(shí)時(shí)間短，在一個(gè)線程處于延時(shí)中時(shí)另一個(gè)線程又要開(kāi)始延時(shí)的情況發(fā)生概率不大。但是在多線程情況下延時(shí)依舊有可能發(fā)生重入，比如一個(gè)線程要延時(shí) 500us，剛過(guò) 100us 另一個(gè)線程就要延時(shí) 200us，這種情況不但發(fā)生了重入，還有“時(shí)間覆蓋”（200us 覆蓋了上一個(gè)線程剩余的 400us 里的時(shí)間段），這些情況也不是光靠一個(gè)硬件高精度定時(shí)器就能應(yīng)對(duì)的。

多線程延時(shí)工況分析

先來(lái)看一張多線程延時(shí)工況圖，如“圖1”所示：

圖1. 多線程延時(shí)工況01

為了方便閱讀以及接下來(lái)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，Sugar 在上圖基礎(chǔ)上加了一些注釋，對(duì)多線程的工況進(jìn)行更細(xì)致一點(diǎn)的描述，如“圖2”所示：

圖2. 多線程延時(shí)工況02

為了更好說(shuō)明 Sugar 選用最近長(zhǎng)勢(shì)正盛的 Microsoft Azure RTOS ThreadX 做基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(gè)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(gè)線程。其中 High-precision Timer 線程優(yōu)先級(jí)最高，但不是定時(shí)回調(diào)的，而是被動(dòng)觸發(fā)。下面說(shuō)說(shuō)為什么 High-precision Timer 線程優(yōu)先級(jí)要最高，以及如何被動(dòng)觸發(fā)。

我們知道線程中用 WAIT_FOREVER 方式等待信號(hào)量的時(shí)候，若信號(hào)量的值為 0 則線程會(huì)被掛起在這個(gè)信號(hào)量下。我們就利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)完成線程的“被動(dòng)觸發(fā)”，即：

1、信號(hào)量建立時(shí)初值為 0

2、在中斷中釋放一次信號(hào)量（即信號(hào)量值加 1）

這樣中斷發(fā)生后就能立刻喚醒掛起在該信號(hào)量下的線程，即完成了線程的被動(dòng)觸發(fā)。線程轉(zhuǎn)為就緒態(tài)后，因其優(yōu)先級(jí)最高，會(huì)立即搶占調(diào)度器得到執(zhí)行。在 Hight-precision Timer 線程被信號(hào)量喚醒后，立即對(duì)延時(shí)時(shí)間到的線程進(jìn)行 resume 操作，這樣就完成了線程的 us 延時(shí)。

我們回看一下上面圖中的 A、B、C 三個(gè)線程，每條線上都串了兩個(gè)圈圈，每條線從上往下第一個(gè)圈是延時(shí)主動(dòng)掛起，第二個(gè)圈是時(shí)間到后被 High-precision Timer 線程 resume 回來(lái)繼續(xù)執(zhí)行。

至此讀圖的方法基本說(shuō)清楚了，如果要落實(shí)到代碼，其實(shí)還有個(gè)“硬件定時(shí)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(shuō)：因?yàn)橛布〞r(shí)器產(chǎn)生了中斷，才使得 High-precision Timer 線程對(duì)延時(shí)時(shí)間到的線程進(jìn)行 resume。上面說(shuō)“被動(dòng)觸發(fā)”的時(shí)候有說(shuō)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(shí)器”就更好理解原理了。沒(méi)有放的原因是這里要考慮“可重入”，這個(gè)瓜有點(diǎn)多，一車裝不下，裝少了說(shuō)不完善，裝多了眼花繚亂，所以就沒(méi)畫“硬件定時(shí)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(shí)，代碼要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)部分：

一、 要配置一個(gè) us 級(jí)定時(shí)器；

二、 要做一個(gè) us 延時(shí)的函數(shù)接口；

三、 要有一個(gè) High-precision Timer 線程；

四、 要有一個(gè)測(cè)試用 us 級(jí)的普通定時(shí)回調(diào)線程。

下面 Sugar 以 STM32 為例逐一上代碼。

us 級(jí)定時(shí)器配置

1、 定時(shí)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(