微秒級延時設(shè)計方案

一般 RTOS 系統(tǒng)時鐘 1KHz 的情況下，thread_sleep() 的最短時間是 1ms。在實時控制中有些情況需要微秒(us)級延時，這該怎么辦呢？

微秒級延時有兩種實現(xiàn)思路：一是著情提高系統(tǒng)時鐘，二是使用 MCU 的高精度定時器。

一、著情提高系統(tǒng)時鐘

之所以說是“著情”提高的原因是：系統(tǒng)時鐘越快，單位時間內(nèi)的線程調(diào)度次數(shù)越多，也就是說花在調(diào)度的時間會大幅增加，這對線程的功能不利。真正做事的是線程函數(shù)，如果 CPU 會說話，過快的線程調(diào)度將會引起 CPU 的極度不滿。線程是 CPU 具體要做的事，剛把 CPU 調(diào)過來做事，事沒做完就拉跑做另一件事，CPU 會說：“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)定時器

一般 MCU 都會有片上高精度定時器外設(shè)，可以配置到 1us 精度。即然用定時器可以，那就用定時器唄，還寫什么文章？當(dāng)然不只是開啟定時器這么簡單，RTOS 要實現(xiàn)的是阻塞延時，任務(wù)進(jìn)入延時要交出 CPU 使用權(quán)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。在 RTOS 上用定時器躺平死等是無賴行為，睡眠讓權(quán)才能實現(xiàn)良好的多線程調(diào)度。

雖然 us 級延時時間短，在一個線程處于延時中時另一個線程又要開始延時的情況發(fā)生概率不大。但是在多線程情況下延時依舊有可能發(fā)生重入，比如一個線程要延時 500us，剛過 100us 另一個線程就要延時 200us，這種情況不但發(fā)生了重入，還有“時間覆蓋”（200us 覆蓋了上一個線程剩余的 400us 里的時間段），這些情況也不是光靠一個硬件高精度定時器就能應(yīng)對的。

多線程延時工況分析

先來看一張多線程延時工況圖，如“圖1”所示：

圖1. 多線程延時工況01

為了方便閱讀以及接下來進(jìn)一步的設(shè)計實現(xiàn)，Sugar 在上圖基礎(chǔ)上加了一些注釋，對多線程的工況進(jìn)行更細(xì)致一點的描述，如“圖2”所示：

圖2. 多線程延時工況02

為了更好說明 Sugar 選用最近長勢正盛的 Microsoft Azure RTOS ThreadX 做基礎(chǔ)來實現(xiàn)這個設(shè)計。目的在于輸出通用方法，具體選什么 RTOS 并不重要，是個多線程就行，比如:RT-Thread、FreeRTOS 等都可以。

圖中的 A、B、C 和 High-precision Timer 是 4 個線程。其中 High-precision Timer 線程優(yōu)先級最高，但不是定時回調(diào)的，而是被動觸發(fā)。下面說說為什么 High-precision Timer 線程優(yōu)先級要最高，以及如何被動觸發(fā)。

我們知道線程中用 WAIT_FOREVER 方式等待信號量的時候，若信號量的值為 0 則線程會被掛起在這個信號量下。我們就利用這個特點來完成線程的“被動觸發(fā)”，即：

1、信號量建立時初值為 0

2、在中斷中釋放一次信號量（即信號量值加 1）

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

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

至此讀圖的方法基本說清楚了，如果要落實到代碼，其實還有個“硬件定時器與 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：因為硬件定時器產(chǎn)生了中斷，才使得 High-precision Timer 線程對延時時間到的線程進(jìn)行 resume。上面說“被動觸發(fā)”的時候有說到相關(guān)原理，其實上面圖的最右邊應(yīng)該再放一列表示“硬件定時器”就更好理解原理了。沒有放的原因是這里要考慮“可重入”，這個瓜有點多，一車裝不下，裝少了說不完善，裝多了眼花繚亂，所以就沒畫“硬件定時器”這一列。

代碼實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述設(shè)計的阻塞延時，代碼要劃分為四個部分：

一、 要配置一個 us 級定時器；

二、 要做一個 us 延時的函數(shù)接口；

三、 要有一個 High-precision Timer 線程；

四、 要有一個測試用 us 級的普通定時回調(diào)線程。

下面 Sugar 以 STM32 為例逐一上代碼。

us 級定時器配置

1、 定時器初始化

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(