一種Cortex-M內核中的精確延時方法

本文介紹一種Cortex-M內核中的精確延時方法

前言

爲何要學習這種延時的方法？

1. 不少時候咱們跑操做系統，就通常會佔用一個硬件定時器——SysTick，而咱們通常操做系統的時鐘節拍通常是設置100-1000HZ，也就是1ms——10ms產生一次中斷。不少裸機教程使用延時函數又是基於SysTick的，這樣一來又不免產生衝突。
2. 不少人會說，不是還有定時器嗎，定時器的計時是超級精確的。這點我不否定，可是假設，若是一個系統，老是進入定時器中斷（10us一次/1us一次/0.5us一次），那整個系統就會常常被打斷，線程的進行就沒辦法很好運行啊。此外還消耗一個硬件定時器資源，一個硬件定時器可能作其餘事情呢！
3. 對應ST HAL庫的修改，其實傑傑我的以爲吧，ST的東西什麼都好，就是出的HAL庫太噁心了，沒辦法，而HAL庫中有一個HALDelay()，他也是採用SysTick延時的，在移植操做系統的時候，會有諸多不便，不過好在，HALDelay()是一個弱定義的，咱們能夠重寫這個函數的實現，那麼，採用內核延時固然是最好的辦法啦（我的是這麼以爲的）固然你有能力徹底用for循環寫個簡單的延時仍是能夠的。
4. 可能我說的話沒啥權威，那我就引用Cortex-M3權威指南中的一句話——「DWT 中有剩餘的計數器，它們典型地用於程序代碼的「性能速寫」（profiling）。經過編程它們，就可讓它們在計數器溢出時發出事件（以跟蹤數據包的形式）。最典型地，就是使用 CYCCNT寄存器來測量執行某個任務所花的週期數，這也能夠用做時間基準相關的目的（操做系統中統計 CPU使用率能夠用到它）。」

Cortex-M中的DWT

在Cortex-M裏面有一個外設叫DWT(Data Watchpoint and Trace)，是用於系統調試及跟蹤，它有一個32位的寄存器叫CYCCNT，它是一個向上的計數器，記錄的是內核時鐘運行的個數，內核時鐘跳動一次，該計數器就加1，精度很是高，決定內核的頻率是多少，若是是F103系列，內核時鐘是72M，那精度就是1/72M = 14ns，而程序的運行時間都是微秒級別的，因此14ns的精度是遠遠夠的。最長能記錄的時間爲：60s=2的32次方/72000000(假設內核頻率爲72M，內核跳一次的時間大概爲1/72M=14ns)，而若是是H7這種400M主頻的芯片，那它的計時精度高達2.5ns（1/400000000 = 2.5），而若是是 i.MX RT1052這種比較牛逼的處理器，最長能記錄的時間爲： 8.13s=2的32次方/528000000 (假設內核頻率爲528M，內核跳一次的時間大概爲1/528M=1.9ns) 。當CYCCNT溢出以後，會清0從新開始向上計數。

m三、m四、m7傑傑實測可用（m0不可用）。

精度：1/內核頻率(s)。

要實現延時的功能，總共涉及到三個寄存器：DEMCR 、DWTCTRL、DWTCYCCNT，分別用於開啓DWT功能、開啓CYCCNT及得到系統時鐘計數值。

DEMCR

想要使能DWT外設，須要由另外的內核調試寄存器DEMCR的位24控制，寫1使能（劃重點啦，要考試！！）。DEMCR的地址是0xE000 EDFC

關於DWT_CYCCNT

使能DWT_CYCCNT寄存器以前，先清0。讓咱們看看DWTCYCCNT的基地址，從ARM-Cortex-M手冊中能夠看到其基地址是0xE000 1004，復位默認值是0，並且它的類型是可讀可寫的，咱們往0xE000 1004這個地址寫0就將DWTCYCCNT清0了。

關於CYCCNTENA

CYCCNTENA Enable the CYCCNT counter. If not enabled, the counter does not count and no event isgenerated for PS sampling or CYCCNTENA. In normal use, the debugger must initializethe CYCCNT counter to 0.它是DWT控制寄存器的第一位，寫1使能，則啓用CYCCNT計數器，不然CYCCNT計數器將不會工做。

綜上所述

想要使用DWT的CYCCNT步驟：

1. 先使能DWT外設，這個由另外內核調試寄存器DEMCR的位24控制，寫1使能

2. 使能CYCCNT寄存器以前，先清0。

3. 使能CYCCNT寄存器，這個由DWT的CYCCNTENA 控制，也就是DWT控制寄存器的位0控制，寫1使能

代碼實現

/**
  ******************************************************************
  * @file    core_delay.c
  * @author  fire
  * @version V1.0
  * @date    2018-xx-xx
  * @brief   使用內核寄存器精確延時
  ******************************************************************
  * @attention
  *
  * 實驗平臺:野火 STM32開發板  
  * 論壇    :http://www.firebbs.cn
  * 淘寶    :https://fire-stm32.taobao.com
  *
  ******************************************************************
  */
  
#include "./delay/core_delay.h"   

/*
**********************************************************************
*         時間戳相關寄存器定義
**********************************************************************
*/
/*
 在Cortex-M裏面有一個外設叫DWT(Data Watchpoint and Trace)，
 該外設有一個32位的寄存器叫CYCCNT，它是一個向上的計數器，
 記錄的是內核時鐘運行的個數，最長能記錄的時間爲：
 10.74s=2的32次方/400000000
 (假設內核頻率爲400M，內核跳一次的時間大概爲1/400M=2.5ns)
 當CYCCNT溢出以後，會清0從新開始向上計數。
 使能CYCCNT計數的操做步驟：
 一、先使能DWT外設，這個由另外內核調試寄存器DEMCR的位24控制，寫1使能
 二、使能CYCCNT寄存器以前，先清0
 三、使能CYCCNT寄存器，這個由DWT_CTRL(代碼上宏定義爲DWT_CR)的位0控制，寫1使能
 */


#define  DWT_CR      *(__IO uint32_t *)0xE0001000
#define  DWT_CYCCNT  *(__IO uint32_t *)0xE0001004
#define  DEM_CR      *(__IO uint32_t *)0xE000EDFC


#define  DEM_CR_TRCENA                   (1 << 24)
#define  DWT_CR_CYCCNTENA                (1 <<  0)


/**
  * @brief  初始化時間戳
  * @param  無
  * @retval 無
  * @note   使用延時函數前，必須調用本函數
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
    /* 使能DWT外設 */
    DEM_CR |= (uint32_t)DEM_CR_TRCENA;                

    /* DWT CYCCNT寄存器計數清0 */
    DWT_CYCCNT = (uint32_t)0u;

    /* 使能Cortex-M DWT CYCCNT寄存器 */
    DWT_CR |= (uint32_t)DWT_CR_CYCCNTENA;
  
    return HAL_OK;
}

/**
  * @brief  讀取當前時間戳
  * @param  無
  * @retval 當前時間戳，即DWT_CYCCNT寄存器的值
  */
uint32_t CPU_TS_TmrRd(void)
{        
  return ((uint32_t)DWT_CYCCNT);
}

/**
  * @brief  讀取當前時間戳
  * @param  無
  * @retval 當前時間戳，即DWT_CYCCNT寄存器的值
  */
uint32_t HAL_GetTick(void)
{        
  return ((uint32_t)DWT_CYCCNT/SysClockFreq*1000);
}


/**
  * @brief  採用CPU的內部計數實現精確延時，32位計數器
  * @param  us : 延遲長度，單位1 us
  * @retval 無
  * @note   使用本函數前必須先調用CPU_TS_TmrInit函數使能計數器，
            或使能宏CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION
            最大延時值爲8秒，即8*1000*1000
  */
void CPU_TS_Tmr_Delay_US(uint32_t us)
{
  uint32_t ticks;
  uint32_t told,tnow,tcnt=0;

  /* 在函數內部初始化時間戳寄存器， */  
#if (CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION)  
  /* 初始化時間戳並清零 */
  HAL_InitTick(5);
#endif
  
  ticks = us * (GET_CPU_ClkFreq() / 1000000);  /* 須要的節拍數 */      
  tcnt = 0;
  told = (uint32_t)CPU_TS_TmrRd();         /* 剛進入時的計數器值 */

  while(1)
  {
    tnow = (uint32_t)CPU_TS_TmrRd();  
    if(tnow != told)
    { 
        /* 32位計數器是遞增計數器 */    
      if(tnow > told)
      {
        tcnt += tnow - told;  
      }
      /* 從新裝載 */
      else 
      {
        tcnt += UINT32_MAX - told + tnow; 
      } 
      
      told = tnow;

      /*時間超過/等於要延遲的時間,則退出 */
      if(tcnt >= ticks)break;
    }  
  }
}

/*********************************************END OF FILE**********************/
複製代碼

#ifndef __CORE_DELAY_H
#define __CORE_DELAY_H

#include "stm32h7xx.h"

/* 獲取內核時鐘頻率 */
#define GET_CPU_ClkFreq()       HAL_RCC_GetSysClockFreq()
#define SysClockFreq            (218000000)
/* 爲方便使用，在延時函數內部調用CPU_TS_TmrInit函數初始化時間戳寄存器，
   這樣每次調用函數都會初始化一遍。
   把本宏值設置爲0，而後在main函數剛運行時調用CPU_TS_TmrInit可避免每次都初始化 */  

#define CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION   0  


/*******************************************************************************
 * 函數聲明
 ******************************************************************************/
uint32_t CPU_TS_TmrRd(void);
HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority);

//使用如下函數前必須先調用CPU_TS_TmrInit函數使能計數器，或使能宏CPU_TS_INIT_IN_DELAY_FUNCTION
//最大延時值爲8秒
void CPU_TS_Tmr_Delay_US(uint32_t us);
#define HAL_Delay(ms)     CPU_TS_Tmr_Delay_US(ms*1000)
#define CPU_TS_Tmr_Delay_S(s)       CPU_TS_Tmr_Delay_MS(s*1000)


#endif /* __CORE_DELAY_H */
複製代碼

注意事項：

使用者若是不是在HAL庫中使用，註釋掉：

uint32_t HAL_GetTick(void)
{        
  return ((uint32_t)DWT_CYCCNT/SysClockFreq*1000);
}複製代碼

同時建議從新命名HAL_InitTick()函數。

按照本身的平臺重寫如下宏定義：

/* 獲取內核時鐘頻率 */
#define GET_CPU_ClkFreq()       HAL_RCC_GetSysClockFreq()
#define SysClockFreq            (218000000)複製代碼

後記

其實在ucos-iii 源碼中，有一個功能是測量關中斷時間的功能，就是使用STM32的時間戳，即記錄程序運行的某個時刻，若是記錄下程序先後的兩個時刻點，便可以算出這段程序的運行時間。可是有關內核寄存器的描述的資料很是少，還好找到一個（arm手冊），裏面有這些內核寄存器的詳細描述，其中時間戳相關的寄存器在第10章和11章有詳細的描述。關於資料想看的能夠後臺找我拿。

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