RT-Thread驱动篇：hwtimer重载值算法

硬件定时器

区别于 rt-thread 内核实现的两种定时器，这种定时器依赖芯片内置的定时器外设，依靠稳定高速的晶振实现精确定时，可以实现 rt_timer 无法达到的定时精度。硬件定时器最重要的两个参数是定时器时钟和定时器重载值。

定时器时钟越高，定时器精度越高；重载值越大，实现的定时时间越长。

在定时器时钟一定的前提下，重载值就决定了定时器定时时间的准确性。

两种计算重载值算法

hwtimer.c 文件timeout_calc函数实现

 1floatoverflow;
 2floattimeout;
 3rt_uint32_tcounter;
 4inti,index=0;
 5floattv_sec;
 6floatdevi_min=1;
 7floatdevi;
 8
 9/*changedtosecond*/
10overflow=timer->maxcnt/(float)timer->freq;
11tv_sec=tv->sec+tv->usec/(float)1000000;
12
13if(tv_sec< (1/(float)timer->freq))
14{
15/*littletimeout*/
16i=0;
17timeout=1/(float)timer->freq;
18}
19else
20{
21for(i=1;i>0;i++)
22{
23timeout=tv_sec/i;
24
25if(timeout<= overflow)
26{
27counter=timeout*timer->freq;
28devi=tv_sec-(counter/(float)timer->freq)*i;
29/*Minimumcalculationerror*/
30if(devi>devi_min)
31{
32i=index;
33timeout=tv_sec/i;
34break;
35}
36elseif(devi==0)
37{
38break;
39}
40elseif(devi< devi_min)
41{
42devi_min=devi;
43index=i;
44}
45}
46}
47}
48
49timer->cycles=i;
50timer->reload=i;
51timer->period_sec=timeout;
52counter=timeout*timer->freq;
53
54returncounter;

第二种实现，

 1rt_uint32_tcounter,reload;
 2rt_uint32_ttimer_cnt;
 3inti,index=0,n0,n1;
 4floattv_sec;
 5rt_uint32_tdev,dev_min;
 6
 7/*changedtosecond*/
 8tv_sec=tv->sec+tv->usec/(float)1000000.0;
 9timer_cnt=tv_sec*timer->freq;
10
11if(timer_cnt==0){
12timer_cnt=1;
13}
14if(timer_cnt< timer->maxcnt){
15timer->cycles=timer->reload=1;
16timer->period_sec=tv_sec;
17counter=timer_cnt;
18returncounter;
19}
20if(timer_cnt%timer->maxcnt==0){
21timer->cycles=timer->reload=timer_cnt/timer->maxcnt;
22timer->period_sec=tv_sec;
23counter=timer_cnt;
24returncounter;
25}
26n0=timer_cnt/timer->maxcnt+1;
27n1=timer_cnt/2;
28dev_min=n0;
29for(i=n0;i< n1; i++) {
30reload=(rt_uint32_t)(timer_cnt/i);
31dev=timer_cnt-reload*i;
32if(dev==0){
33//end
34index=i;
35break;
36}elseif(dev< dev_min) {
37dev_min=dev;
38index=i;
39}
40}
41timer->cycles=timer->reload=index;
42timer->period_sec=index/timer->freq;
43counter=timer_cnt/index;
44returncounter;

测试环境

定时器频率设定 1M。定时器最大重载值 65535。

系统：win10

IDE：Qt Creator

最大定时范围

两种算法，最主要的差别在于前一种用 float 运算，因为 float 可以表达的值范围更大，定时时间可以更长。

而在 1M 定时器时钟前提下，用 32 位无符号整型 timer_cnt，最大可以处理时间仅有 4294.967295s。

精度 PK

这里不支持嵌入 html 表格，只好贴图了

分别选各个量级的时间，用两种算法计算，第二种算法可以把误差降低到0，但是也暴露出一些问题，在某些时间，例如 3.230970s、12.230970s、14.230970s... 误差是很小，定时器重载值也很小，这是我们不愿意看到的。

第一种算法，在计算大于 1000 的数时，误差也随之增大。比如 1000s 误差为 3.236ms；4293.0s 误差为 64.080ms。

运算速度

测试方法：抽取某几个时间值，循环 1M 次运算，计量 1M 次运算总耗时时间。

从抽取的几个值测试结果看，第一种算法耗时比较稳定，第二种算法对不同值的运算时间差异很大。特别的，3.317s 这个值用第二种算法，1M 次运算总耗时时间可能达到 3000s。

从上一小节的精度比对可以看出，第二种算法对精度要求太高了。下面降低第二种算法的精度，达到和第一种一样的精度再重复一次。修改代码如下

 1if(dev==0){
 2//end
 3index=i;
 4break;
 5}elseif(dev>dev_min){
 6break;
 7}elseif(dev< dev_min) {
 8dev_min=dev;
 9index=i;
10}

再次测试结果：

我们可以看出来，在相同精度条件下，第二种算法的运算速度比第一种快很多，而且耗时反而变得更集中。

其实，对结束条件再次修正，将dev == 0的严苛误差条件换成dev <= 1也不会出现上面 3000+s 慢速。

 1if(dev<= 1){
 2//end
 3index=i;
 4break;
 5}elseif(dev>dev_min){
 6break;
 7}elseif(dev< dev_min) {
 8dev_min=dev;
 9index=i;
10}

超过 4295s 的超长定时

需要修改rt_uint64_t timer_cnt的定义为 64 位无符号整型rt_uint64_t timer_cnt。

又因为定时时间很长很长，对误差要求可以降低一些，对第二种算法做的第二处修改:

1if(dev<= 500){
2//end
3index=i;
4break;
5}elseif(dev< dev_min) {
6dev_min=dev;
7index=i;
8}

超长时间，第二种算法的表现也很优秀。第三组数据第一种方法竟然出错了，没算出结果。

下面是 10k 次（没有进行 1W 次是因为有些时间太长了）运算时间统计

返璞归真

以上是对两种算法从不同角度进行的比对测验。看似用 float 可以计算更大的定时数，但是，测试结果并不那么理想。使用 64位整型数计算，可能得到比用 float 更精确的结果。

使用 32 位无符号整型数运算虽然最大定时时间只有 4294.9s 。但是我们也看到了，第一种方法有可能出现计算误差的，当误差超过 1ms 我们用 rt_thread_mdelay 或者 rt-thread 的软/硬定时器，可能结果比硬件定时器更精确了，反而失去了精确定时器的意义。在这个前提下，使用 32 位无符号整型数已经足够了。

算法及测试源码见：

https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo/tree/master/user