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英創(chuàng)信息技術(shù)Linux應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)精確延時(shí)介紹

英創(chuàng)信息技術(shù) ? 來(lái)源:英創(chuàng)信息技術(shù) ? 作者:英創(chuàng)信息技術(shù) ? 2020-01-17 09:51 ? 次閱讀
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Linux應(yīng)用程序中,常用的延時(shí)函數(shù)包括sleep()、usleep()、select()等,這幾個(gè)延時(shí)函數(shù)函數(shù)的執(zhí)行機(jī)制,都是將當(dāng)前線程掛起,由操作系統(tǒng)做延時(shí),然后再恢復(fù)當(dāng)前線程。這意味著其延時(shí)的最小間隔是兩次線程切換時(shí)間。經(jīng)測(cè)試,在單一線程情況下,兩次線程的切換時(shí)間在150us左右。大多數(shù)情況下,應(yīng)用程序會(huì)有多個(gè)線程在運(yùn)行,這時(shí)線程恢復(fù)有可能在下一個(gè)時(shí)間片,而Linux系統(tǒng)缺省的線程輪片時(shí)間為10ms,這意味著只有當(dāng)延時(shí)在大于10ms情況時(shí),常規(guī)的延時(shí)函數(shù)才有意義。在工控領(lǐng)域,我們常常碰到需要微秒級(jí)的延時(shí)需求,例如實(shí)現(xiàn)某種讀寫(xiě)時(shí)序等,這時(shí)Linux系統(tǒng)的常規(guī)延時(shí)函數(shù)難于滿足其需求。針對(duì)這樣的應(yīng)用需求,我們?cè)O(shè)計(jì)了采用內(nèi)存映射的方法操作主板的硬件定時(shí)器和GPIO,從而產(chǎn)生出具有微秒精度的脈沖波形來(lái)。下面就詳細(xì)介紹如何在用戶進(jìn)程實(shí)現(xiàn)這樣的精確延時(shí)的操作。

以EM335x工控主板為例,用其內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)精確延時(shí)的功能,EM335x內(nèi)部定時(shí)器的輸入時(shí)鐘為24MHz,單位時(shí)間為41.6ns,通過(guò)將Linux系統(tǒng)的mem設(shè)備文件和mmap()函數(shù)結(jié)合起來(lái)使用,可直接對(duì)EM335x內(nèi)部定時(shí)器的寄存器進(jìn)行操作,再通過(guò)同樣的方式控制GPIO,實(shí)現(xiàn):(1)設(shè)置GPIO,(2)啟動(dòng)定時(shí)器,當(dāng)檢測(cè)到定時(shí)器計(jì)數(shù)完畢,(3)再設(shè)置GPIO,共三個(gè)步驟,就可產(chǎn)生精確時(shí)間間隔的脈沖。

Linux系統(tǒng)中的/dev/mem設(shè)備文件,是專門(mén)用來(lái)讀寫(xiě)物理地址用的,里面的內(nèi)容是所有物理內(nèi)存的地址以及內(nèi)容信息。只要我們使用mmap()函數(shù)將/dev/mem設(shè)備文件映射到進(jìn)程地址空間,實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存物理地址的讀寫(xiě),就能夠通過(guò)這種方式快速的對(duì)GPIO和定時(shí)器進(jìn)行操作,而mmap操作提供了一種機(jī)制,讓用戶程序直接訪問(wèn)設(shè)備內(nèi)存,這樣就相當(dāng)于直接對(duì)硬件進(jìn)行操作,從而避開(kāi)了驅(qū)動(dòng)程序,如果調(diào)用驅(qū)動(dòng)就需要在用戶空間和內(nèi)核空間互相拷貝數(shù)據(jù),還會(huì)涉及到系統(tǒng)調(diào)度等機(jī)制,效率將會(huì)變低。

將/dev/mem/設(shè)備文件中定時(shí)器的地址映射到用戶進(jìn)程空間的代碼:
void *timer_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap Timer */
base = mmap(
NULL, //起始地址
DMTIMER_DEV_SIZE, //映射的文件內(nèi)容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,//映射區(qū)域可讀可寫(xiě)
MAP_SHARED, //映射區(qū)域的寫(xiě)入數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)回到原來(lái)的文件
mem_fd,
BASE//被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

將/dev/mem/設(shè)備文件中GPIO的地址映射到用戶進(jìn)程空間的代碼:
void *GPIO_MMAP::gpio_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap GPIO */
base = mmap(
NULL,//起始地址
GPIO_DEV_SIZE, //映射的文件內(nèi)容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,//映射區(qū)域可讀可寫(xiě)
MAP_SHARED,//映射區(qū)域的寫(xiě)入數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)回到原來(lái)的文件
mem_fd,
BASE //被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

成功執(zhí)行時(shí),mmap()函數(shù)返回被映射區(qū)的指針。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后,進(jìn)程可以像訪問(wèn)普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問(wèn),不必再調(diào)用read(),write()等操作。只需要使用返回的地址指針在對(duì)應(yīng)的寄存器的偏移地址賦值,就可以完成操作。在例程中已經(jīng)將函數(shù)接口引出(詳細(xì)的代碼請(qǐng)參考例程):
ptr=Timer_Init();//初始化,將定時(shí)器地址映射到用戶進(jìn)程
Timer_Start(ptr, GPIO0, 0xfffffffa); //啟動(dòng)定時(shí)器,并設(shè)置時(shí)間和哪一位GPIO

定時(shí)器是從0計(jì)數(shù)到0xffffffff,需要實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能,我們就要改變定時(shí)器的初值,上面的程序中0xfffffffa為定時(shí)器的初值,前面提到過(guò)由于EM335x定時(shí)器時(shí)鐘為24MHZ,所以定時(shí)器單位時(shí)間為1/24000000=41.6ns,假設(shè)程序訪問(wèn)寄存器還需要花費(fèi)時(shí)間T0,在計(jì)算初值的時(shí)候,就需要加上這一部分時(shí)間才能保證準(zhǔn)確性,因此定時(shí)器取值的計(jì)算公式為:
T=0xffffffff-(目標(biāo)延時(shí)/41.6ns)+T0

經(jīng)過(guò)測(cè)試,執(zhí)行一次程序訪問(wèn)寄存器所需花費(fèi)的時(shí)間大約為T(mén)0=800ns。舉個(gè)例子,比如目標(biāo)延時(shí)為2μs,那么定時(shí)器初值為:0xffffffff-(2000/41.6)+800,也就是0xffffffe2,測(cè)試的時(shí)候帶入這個(gè)值,再進(jìn)行微調(diào),即可得到想要的結(jié)果。

使用英創(chuàng)工控主板運(yùn)行例程測(cè)試,分別測(cè)試延時(shí)1μs,1.5μs,2μs,5μs,10μs時(shí)的精度,結(jié)果如下:

目標(biāo)延時(shí) 定時(shí)器取值 實(shí)際延時(shí)
Min Max
1us 0xfffffffa 1.14us 1.20us


1us的測(cè)試波形

目標(biāo)延時(shí) 定時(shí)器取值 實(shí)際延時(shí)
Min Max
1.5us 0xffffffee 1.46us 1.52us


1.5μs的測(cè)試波形

目標(biāo)延時(shí) 定時(shí)器取值 實(shí)際延時(shí)
Min Max
2us 0xffffffe2 1.90us 2.08us

2μs的測(cè)試波形

目標(biāo)延時(shí) 定時(shí)器取值 實(shí)際延時(shí)
Min Max
5us 0xffffff9a 4.92us 5.04us

5μs的測(cè)試波形

目標(biāo)延時(shí) 定時(shí)器取值 實(shí)際延時(shí)
Min Max
10us 0xffffff22 9.90us 10.10us


10μs的測(cè)試波形

可以看到,在1μs時(shí),誤差范圍在±200ns左右,超過(guò)1μs,其余的取值,誤差都在±100ns以內(nèi),隨著延時(shí)的增加,精確度將越來(lái)越高,在10μs的時(shí)候,誤差已經(jīng)非常小了。

通過(guò)以上方案實(shí)現(xiàn)了在用戶進(jìn)程對(duì)精確延時(shí)的操作,詳細(xì)的操作代碼請(qǐng)參考例程。

關(guān)于這一方法在EM9x60系列工控主板上的實(shí)現(xiàn)可閱讀下文:英創(chuàng)嵌入式主板支持精確延時(shí)操作之二

注意事項(xiàng):我們推薦客戶直接使用例程中引出的接口進(jìn)行操作,不推薦客戶對(duì)硬件訪問(wèn)這一部分代碼進(jìn)行修改,以免在操作的時(shí)候出現(xiàn)無(wú)法預(yù)估的錯(cuò)誤。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫(xiě)或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
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