rt-thread 驱动篇（八）hwtimer 重载算法优化

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

   float overflow;
   float timeout;
   rt_uint32_t counter;
   int i, index = 0;
   float tv_sec;
   float devi_min = 1;
   float devi;
   /* changed to second */
   overflow = timer->maxcnt/(float)timer->freq;
   tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000;

   if (tv_sec < (1/(float)timer->freq))
   {
       /* little timeout */
       i = 0;
       timeout = 1/(float)timer->freq;
   }
   else
   {
       for (i = 1; i > 0; i ++)
       {
           timeout = tv_sec/i;

           if (timeout <= overflow)
           {
               counter = timeout*timer->freq;
               devi = tv_sec - (counter/(float)timer->freq)*i;
               /* Minimum calculation error */
               if (devi > devi_min)
               {
                   i = index;
                   timeout = tv_sec/i;
                   break;
               }
               else if (devi == 0)
               {
                   break;
               }
               else if (devi < devi_min)
               {
                   devi_min = devi;
                   index = i;
               }
           }
       }
   }

   timer->cycles = i;
   timer->reload = i;
   timer->period_sec = timeout;
   counter = timeout*timer->freq;

   return counter;

第二种实现，

   rt_uint32_t counter, reload;
   rt_uint32_t timer_cnt;
   int i, index = 0, n0, n1;
   float tv_sec;
   rt_uint32_t dev, dev_min;
   /* changed to second */
   tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000.0;
   timer_cnt = tv_sec * timer->freq;

   if (timer_cnt == 0) {
       timer_cnt = 1;
   }
   if (timer_cnt < timer->maxcnt) {
       timer->cycles = timer->reload = 1;
       timer->period_sec = tv_sec;
       counter = timer_cnt;
       return counter;
   }
   if (timer_cnt % timer->maxcnt == 0) {
       timer->cycles = timer->reload = timer_cnt / timer->maxcnt;
       timer->period_sec = tv_sec;
       counter = timer_cnt;
       return counter;
   }
   n0 = timer_cnt / timer->maxcnt + 1;
   n1 = timer_cnt / 2;
   dev_min = n0;
   for (i = n0; i < n1; i++) {
       reload = (rt_uint32_t)(timer_cnt / i);
       dev = timer_cnt - reload * i;
       if (dev == 0) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }
   }
   timer->cycles = timer->reload = index;
   timer->period_sec = index / timer->freq;
   counter = timer_cnt / index;
   return counter;

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 PK

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。

time	float	uint32
3.317s	98.736ms	3000+s
7.537s	178.545ms	21.921ms
7.000537s	168.549ms	175.530ms
999.999s	17407.468ms	30866.978ms
999.000999s	17458.347ms	337.047ms

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

       if (dev == 0) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev > dev_min) {
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }

再次测试结果：

time	float	uint32
3.317s	104.720ms	20.945ms
3.000317s	91.728ms	21.941ms
7.537s	179.519ms	21.941ms
7.000537s	168.549ms	20.944ms
999.999s	17480.734ms	27.927ms
999.000999s	17366.539ms	20.944ms

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。

       if (dev <= 1) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev > dev_min) {
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }

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:

       if (dev <= 500) {
           // end
           index = i;
           break;
       } else if (dev < dev_min) {
           dev_min = dev;
           index = i;
       }

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

time	float	uint32
9999.537s	1741.341ms	5.010ms
19999.999s	3481.173ms	27.926ms
1999999.999s	-	2616.001ms

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

审核编辑：汤梓红