一种Cortex-M内核中的精确延时方法(ns级别)

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 楼主 | 2018-11-11 20:00 | 显示全部楼层 |乐虎国际娱乐手机版模式
本帖最后由 caijie001 于 2018-11-11 20:14 编辑

本文介绍一种Cortex-M内核中的精确延时方法
前言
为什么要学习这种延时的方法?
  • 很多时候我们跑操作系统,就一般会占用一个硬件定时器——SysTick,而我们一般操作系统的时钟节拍一般是设置100-1000HZ,也就是1ms——10ms产生一次中断。很多裸机教程使用延时函数又是基于SysTick的,这样一来又难免产生冲突。
  • 很多人会说,不是还有定时器吗,定时器的计时是超级精确的。这点我不否认,但是假设,如果一个系统,总是进入定时器中断(10us一次/1us一次/0.5us一次),那整个系统就会经常被打断,线程的进行就没办法很好运行啊。此外还消耗一个硬件定时器资源,一个硬件定时器可能做其他事情呢!
  • 对应ST HAL库的修改,其实杰杰个人觉得吧,ST的东西什么都好,就是出的HAL库太恶心了,没办法,而HAL库中有一个HAL_Delay(),他也是采用SysTick延时的,在移植操作系统的时候,会有诸多不便,不过好在,HAL_Delay()是一个弱定义的,我们可以重写这个函数的实现,那么,采用内核延时当然是最好的办法啦(个人是这么觉得的)当然你有能力完全用for循环写个简单的延时还是可以的。
  • 可能我说的话没啥权威,那我就引用Cortex-M3权威指南中的一句话——“DWT 中有剩余的计数器,它们典型地用于程序代码的“性能速写”(profiling)。通过编程它们,就可以让它们在计数器溢出时发出事件(以跟踪数据包的形式)。最典型地,就是使用 CYCCNT寄存器来测量执行某个任务所花的周期数,这也可以用作时间基准相关的目的(操作系统中统计 CPU使用率可以用到它)。”

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 楼主 | 2018-11-11 20:01 | 显示全部楼层
本帖最后由 caijie001 于 2018-11-11 20:04 编辑

Cortex-M中的DWT
在Cortex-M里面有一个外设叫DWT(Data Watchpoint and Trace),是用于系统调试及跟踪,
它有一个32位的寄存器叫CYCCNT,它是一个向上的计数器,记录的是内核时钟运行的个数,内核时钟跳动一次,该计数器就加1,精度非常高,决定内核的频率是多少,如果是F103系列,内核时钟是72M,那精度就是1/72M = 14ns,而程序的运行时间都是微秒级别的,所以14ns的精度是远远够的。最长能记录的时间为:60s=2的32次方/72000000(假设内核频率为72M,内核跳一次的时间大概为1/72M=14ns),而如果是H7这种400M主频的芯片,那它的计时精度高达2.5ns(1/400000000 = 2.5),而如果是 i.MX RT1052这种比较牛逼的处理器,最长能记录的时间为: 8.13s=2的32次方/528000000 (假设内核频率为528M,内核跳一次的时间大概为1/528M=1.9ns) 。当CYCCNT溢出之后,会清0重新开始向上计数。
m3、m4、m7杰杰实测可用(而m0是不可用的)。
精度:1/内核频率(s)。

要实现延时的功能,总共涉及到三个寄存器:DEMCR 、DWT_CTRL、DWT_CYCCNT,分别用于开启DWT功能、开启CYCCNT及获得系统时钟计数值。

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 楼主 | 2018-11-11 20:05 | 显示全部楼层
DEMCR想要使能DWT外设,需要由另外的内核调试寄存器DEMCR的位24控制,写1使能(划重点啦,要考试!!)。
DEMCR的地址是0xE000 EDFC

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 楼主 | 2018-11-11 20:07 | 显示全部楼层
关于DWT_CYCCNT
使能DWT_CYCCNT寄存器之前,先清0。 让我们看看DWT_CYCCNT的基地址,从ARM-Cortex-M手册中可以看到其基地址是0xE000 1004,复位默认值是0,而且它的类型是可读可写的,我们往0xE000 1004这个地址写0就将DWT_CYCCNT清0了。

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 楼主 | 2018-11-11 20:07 | 显示全部楼层
关于CYCCNTENA
CYCCNTENA Enable the CYCCNT counter. If not enabled, the counter does not count and no event is generated for PS sampling or CYCCNTENA. In normal use, the debugger must initialize the CYCCNT counter to 0.
它是DWT控制寄存器的第一位,写1使能,则启用CYCCNT计数器,否则CYCCNT计数器将不会工作。

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 楼主 | 2018-11-11 20:08 | 显示全部楼层
综上所述
想要使用DWT的CYCCNT步骤:

  • 先使能DWT外设,这个由另外内核调试寄存器DEMCR的位24控制,
  • 写1使能使能CYCCNT寄存器之前,先清0。
  • 使能CYCCNT寄存器,这个由DWT的CYCCNTENA 控制,也就是DWT控制寄存器的位0控制,写1使能


 楼主 | 2018-11-11 20:10 | 显示全部楼层
本帖最后由 caijie001 于 2018-11-11 20:11 编辑

代码实现
注:此代码全部解释权归【®野火】所有
  1. /**
  2.   ******************************************************************
  3.   * file    core_delay.c
  4.   * author  fire
  5.   * version V1.0
  6.   * date 2018-xx-xx
  7.   * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]   使用内核寄存器精确延时
  8.   ******************************************************************
  9.   * @attention
  10.   *
  11.   * 实验平台:野火 STM32开发板  
  12.   * 论坛    :http://www.firebbs.cn
  13.   * 淘宝    :https://fire-stm32.taobao.com
  14.   *
  15.   ******************************************************************
  16.   */
  17.   
  18. #include "./delay/core_delay.h"   

  19. /*
  20. **********************************************************************
  21. *         时间戳相关寄存器定义
  22. **********************************************************************
  23. */
  24. /*
  25. 在Cortex-M里面有一个外设叫DWT(Data Watchpoint and Trace),
  26. 该外设有一个32位的寄存器叫CYCCNT,它是一个向上的计数器,
  27. 记录的是内核时钟运行的个数,最长能记录的时间为:
  28. 10.74s=2的32次方/400000000
  29. (假设内核频率为400M,内核跳一次的时间大概为1/400M=2.5ns)
  30. 当CYCCNT溢出之后,会清0重新开始向上计数。
  31. 使能CYCCNT计数的操作步骤:
  32. 1、先使能DWT外设,这个由另外内核调试寄存器DEMCR的位24控制,写1使能
  33. 2、使能CYCCNT寄存器之前,先清0
  34. 3、使能CYCCNT寄存器,这个由DWT_CTRL(代码上宏定义为DWT_CR)的位0控制,写1使能
  35. */


  36. #define  DWT_CR      *(__IO uint32_t *)0xE0001000
  37. #define  DWT_CYCCNT  *(__IO uint32_t *)0xE0001004
  38. #define  DEM_CR      *(__IO uint32_t *)0xE000EDFC


  39. #define  DEM_CR_TRCENA                   (1 << 24)
  40. #define  DWT_CR_CYCCNTENA                (1 <<  0)


  41. /**
  42.   * @brief  初始化时间戳
  43.   * @param  无
  44.   * @retval 无
  45.   * [url=home.php?mod=space&uid=536309]@NOTE[/url]   使用延时函数前,必须调用本函数
  46.   */
  47. HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
  48. {
  49.     /* 使能DWT外设 */
  50.     DEM_CR |= (uint32_t)DEM_CR_TRCENA;               

  51.     /* DWT CYCCNT寄存器计数清0 */
  52.     DWT_CYCCNT = (uint32_t)0u;

  53.     /* 使能Cortex-M DWT CYCCNT寄存器 */
  54.     DWT_CR |= (uint32_t)DWT_CR_CYCCNTENA;
  55.   
  56.     return HAL_OK;
  57. }

  58. /**
  59.   * @brief  读取当前时间戳
  60.   * @param  无
  61.   * @retval 当前时间戳,即DWT_CYCCNT寄存器的值
  62.   */
  63. uint32_t CPU_TS_TmrRd(void)
  64. {        
  65.   return ((uint32_t)DWT_CYCCNT);
  66. }

  67. /**
  68.   * @brief  读取当前时间戳
  69.   * @param  无
  70.   * @retval 当前时间戳,即DWT_CYCCNT寄存器的值
  71.   */
  72. uint32_t HAL_GetTick(void)
  73. {        
  74.   return ((uint32_t)DWT_CYCCNT/SysClockFreq*1000);
  75. }


  76. /**
  77.   * @brief  采用CPU的内部计数实现精确延时,32位计数器
  78.   * @param  us : 延迟长度,单位1 us
  79.   * @retval 无
  80.   * [url=home.php?mod=space&uid=536309]@NOTE[/url]   使用本函数前必须先调用CPU_TS_TmrInit函数使能计数器,
  81.             或使能宏CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION
  82.             最大延时值为8秒,即8*1000*1000
  83.   */
  84. void CPU_TS_Tmr_Delay_US(uint32_t us)
  85. {
  86.   uint32_t ticks;
  87.   uint32_t told,tnow,tcnt=0;

  88.   /* 在函数内部初始化时间戳寄存器, */  
  89. #if (CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION)  
  90.   /* 初始化时间戳并清零 */
  91.   HAL_InitTick(5);
  92. #endif
  93.   
  94.   ticks = us * (GET_CPU_ClkFreq() / 1000000);  /* 需要的节拍数 */      
  95.   tcnt = 0;
  96.   told = (uint32_t)CPU_TS_TmrRd();         /* 刚进入时的计数器值 */

  97.   while(1)
  98.   {
  99.     tnow = (uint32_t)CPU_TS_TmrRd();  
  100.     if(tnow != told)
  101.     {
  102.         /* 32位计数器是递增计数器 */   
  103.       if(tnow > told)
  104.       {
  105.         tcnt += tnow - told;  
  106.       }
  107.       /* 重新装载 */
  108.       else
  109.       {
  110.         tcnt += UINT32_MAX - told + tnow;
  111.       }
  112.       
  113.       told = tnow;

  114.       /*时间超过/等于要延迟的时间,则退出 */
  115.       if(tcnt >= ticks)break;
  116.     }  
  117.   }
  118. }

  119. /*********************************************END OF FILE**********************/
复制代码
  1. #ifndef __CORE_DELAY_H
  2. #define __CORE_DELAY_H

  3. #include "stm32h7xx.h"

  4. /* 获取内核时钟频率 */
  5. #define GET_CPU_ClkFreq()       HAL_RCC_GetSysClockFreq()
  6. #define SysClockFreq            (218000000)
  7. /* 为方便使用,在延时函数内部调用CPU_TS_TmrInit函数初始化时间戳寄存器,
  8.    这样每次调用函数都会初始化一遍。
  9.    把本宏值设置为0,然后在main函数刚运行时调用CPU_TS_TmrInit可避免每次都初始化 */  

  10. #define CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION   0  


  11. /*******************************************************************************
  12. * 函数声明
  13. ******************************************************************************/
  14. uint32_t CPU_TS_TmrRd(void);
  15. HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority);

  16. //使用以下函数前必须先调用CPU_TS_TmrInit函数使能计数器,或使能宏CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION
  17. //最大延时值为8秒
  18. void CPU_TS_Tmr_Delay_US(uint32_t us);
  19. #define HAL_Delay(ms)     CPU_TS_Tmr_Delay_US(ms*1000)
  20. #define CPU_TS_Tmr_Delay_S(s)       CPU_TS_Tmr_Delay_MS(s*1000)


  21. #endif /* __CORE_DELAY_H */
复制代码


 楼主 | 2018-11-11 20:12 | 显示全部楼层
注意事项:
  • 使用者如果不是在HAL库中使用,注释掉:
  1. uint32_t HAL_GetTick(void)
  2. {        
  3.   return ((uint32_t)DWT_CYCCNT/SysClockFreq*1000);
  4. }
复制代码


  • 同时建议重新命名HAL_InitTick()函数。


  • 按照自己的平台重写以下宏定义:
  1. /* 获取内核时钟频率 */
  2. #define GET_CPU_ClkFreq()       HAL_RCC_GetSysClockFreq()
  3. #define SysClockFreq            (218000000)
复制代码


 楼主 | 2018-11-11 20:13 | 显示全部楼层

欢迎关注我的个人公众号——“创客飞梦空间”, 干货从...

本帖最后由 caijie001 于 2018-11-15 09:39 编辑

后记
其实在ucos-iii 源码中,有一个功能是测量关中断时间的功能,就是使用STM32的时间戳,即记录程序运行的某个时刻,如果记录下程序前后的两个时刻点,即可以算出这段程序的运行时间。 但是有关内核寄存器的描述的资料非常少,还好找到一个(arm手册),里面有这些内核寄存器的详细描述,其中时间戳相关的寄存器在第10章和11章有详细的描述。关于资料想看的可以后台找我拿。

欢迎关注我的个人公众号——“创客飞梦空间”,

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| 2018-11-12 08:50 | 显示全部楼层
mark
 楼主 | 2018-11-12 08:53 | 显示全部楼层
| 2018-11-12 08:57 | 显示全部楼层
多谢共享,研究一下!
| 2018-11-12 08:58 | 显示全部楼层
看看
| 2018-11-12 09:43 | 显示全部楼层
写地好,楼主是怎么想到地???????
 楼主 | 2018-11-12 10:10 | 显示全部楼层
ddllxxrr 发表于 2018-11-12 09:43
写地好,楼主是怎么想到地???????

野火的代码,根据代码查看手册
 楼主 | 2018-11-12 10:11 | 显示全部楼层
ddllxxrr 发表于 2018-11-12 09:43
写地好,楼主是怎么想到地???????

验证
| 2018-11-12 10:20 | 显示全部楼层
感谢楼主分享,顶贴支持~
| 2018-11-12 10:21 | 显示全部楼层
验证
 楼主 | 2018-11-12 10:30 | 显示全部楼层

我已经验证过了,m0不可用,m3、m4、m7可用
 楼主 | 2018-11-12 10:30 | 显示全部楼层
825cow 发表于 2018-11-12 10:20
感谢楼主分享,顶贴支持~

谢谢
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