合理設(shè)置MCU滴答 千萬不要累著它

2017年盛夏，北京街頭，晴空萬里，無風。

近乎凝滯的空氣中一點風都沒有，惱人的知了無停無休地叫著，不疲也不厭，讓人很是懷疑它們的居心。被太陽曬得發(fā)焦的柏油路面熱氣騰騰，像被曬干了肚皮的魚兒一樣無聲地嘶嚎著。呼嘯而過的汽車排著滾燙的尾氣，急匆匆地想要逃離這個世界，偶爾響起的一聲喇叭，就像向太陽求饒一般。地鐵站和周圍的建筑被曬得無精打采的，無可奈何地矗立在似火驕陽的暴曬之下。剛從地鐵站出來的人們行色匆匆，難得悠閑從容的面孔，筆者被裹挾在滾滾人流之中，不由自主地加快著腳步。站在十字路口，一股股熱浪撲面而來，我頂著發(fā)燙的頭皮，在心中一片哀號，“北京真熱??！”

筆者這次頂著大熱天來帝都，是帶著莊嚴而神圣的任務(wù)過來的：給一個車廠做了一款PEPS，領(lǐng)導(dǎo)讓過來做總線測試。

出師不利，測試遇阻

整車廠進行的總線測試包括通信測試、網(wǎng)路管理測試和診斷協(xié)議測試三大塊，通信測試主要包括工作電壓、上升沿、下降沿、采樣點、報文周期準確性、Bus-off后的快速恢復(fù)和慢速恢復(fù)等測試項，網(wǎng)絡(luò)管理測試主要包括CAN節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)建環(huán)、掉線、Bus-off、協(xié)同休眠、本地喚醒和遠程喚醒等測試項，診斷協(xié)議測試主要包括多幀收發(fā)、響應(yīng)超時、診斷會話切換、診斷服務(wù)等測試項。

筆者其實是帶著輕松愉快的心情過來測試的，因為做這款PEPS產(chǎn)品之前做了一款BCM，當時這款BCM已經(jīng)量產(chǎn)，而且也在汽車廠進行過總線測試，對比來看，這兩家車廠的測試條目差不多，筆者就把當時BCM上的代碼移植到了這款PEPS上，根據(jù)不同之處進行了相應(yīng)修改。按照紅芯瀏覽器聯(lián)合創(chuàng)始人的說法，雖然用的是開源代碼，但是了解每一行代碼的含義并知道怎么修改，就是自主可控，筆者盤算著，既然BCM的總線測試都通過了，而且我不僅知道怎么修改這些代碼，這些代碼還完全是我自己寫的，所以PEPS這次測試也絕對是可控的，應(yīng)該比較順利。

等到看測試結(jié)果的時候，興沖沖的我仿佛被澆了一頭冷水，有兩項測試沒通過，這兩項測試分別是用優(yōu)先級最高和優(yōu)先級最低的報文填充CAN總線帶寬，讓總線負載率達到100%，在全負荷的情況下檢測PEPS周期發(fā)送報文的時間準確性。我扒拉著這兩項測試條目的測試數(shù)據(jù)，眼睛都快看花了，終于發(fā)現(xiàn)，確實有一個周期為50ms的報文出現(xiàn)過一次報文漏發(fā)的情況，測試軟件的判斷條件是檢查每個報文連續(xù)兩次發(fā)送的時間間隔，如果時間間隔在45-55ms（報文周期的正負10%）之間，測試通過，反之測試失敗。

中斷頻繁，MCU不堪重負

“不一樣”的宮斗劇《延禧攻略》最近火得不得了，自帶無敵光環(huán)的延禧宮主子魏瓔珞說過，事情來了就不要怕！但是，當我發(fā)現(xiàn)報文周期準確性測試失敗時，心中還是怕怕的，因為我本能地意識到，旅游計劃肯定是泡湯了，總線負載率100%意味著CAN總線接收中斷過于頻繁，測試失敗不是邏輯上的錯誤導(dǎo)致，而是MCU性能限制導(dǎo)致的系統(tǒng)性問題。在換不了MCU的情況下，需要做大量優(yōu)化才能降低MCU的負荷，將有限的性能用在CAN報文接收中斷的處理上和周期報文的發(fā)送上。

科學(xué)研究工作是嚴謹?shù)?，產(chǎn)品開發(fā)亦是如此，為了更好地量化MCU的負荷，我做了如下分析：

整車廠規(guī)定所有總線報文的數(shù)據(jù)場長度為8個字節(jié)，根據(jù)CAN報文格式，一個8字節(jié)數(shù)據(jù)場的CAN報文的位數(shù)為1（幀起始）+ 12（仲裁場）+ 6（控制場）+ 64（數(shù)據(jù)場）+ 16（CRC場）+ 2（應(yīng)答場）+ 7（幀結(jié)尾）=108位。報文之間存在幀間空間INTERFRAME SPACE。幀間包括間歇場、總線空閑的位場。間歇場包括3 個“隱性”的位。總線空閑的（時間）長度是任意的。

所以，一個8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀至少需要（108+3+1）* 位時長的時間，總線波特率為125KHz，位時長為8us，經(jīng)計算得知，一條總線報文的最短時間長度為0.896ms，為了計算方便，按0.9ms計。

在這次測試中，PEPS發(fā)送報文消耗的總線帶寬大約為3%，這就意味著，在總線負載率是100%的情況下，CAN報文接收中斷的周期為0.9/0.97=0.93ms，即，PEPS每隔0.93ms都會觸發(fā)一次CAN接收中斷，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序。由于成本限制，這款PEPS選擇的MCU是一款中檔16位單片機，主頻不過25MHz，卻需要應(yīng)付這么頻繁的中斷，心疼MCU三秒鐘。。。

降低滴答中斷頻率

腫么辦？CAN報文接收中斷服務(wù)程序?qū)懙梅浅：啙?，根本不存在任何?yōu)化空間，這條測試項目制造出100%總線負載率，CAN報文接收中斷頻率就是那么慘無人道地頻繁，也是不可更改，因此，只能從別處下手。

嵌入式系統(tǒng)有大量定時應(yīng)用，所以無論用不用操作系統(tǒng)，都會有一個“系統(tǒng)滴答”，它以固定的時間間隔觸發(fā)中斷，為各種定時應(yīng)用提供時間基準。這也是一個頻繁發(fā)生的中斷，我檢查了這款PEPS上的滴答，發(fā)現(xiàn)其周期設(shè)定為了2ms，之所以選擇2ms，主要是出于代碼復(fù)用，之前我在BCM上選擇的系統(tǒng)滴答為2ms，它會牽扯到好多定時參數(shù)的設(shè)置，為了把BCM上的一些代碼直接拿到到PEPS上來用，于是也原封不動地把系統(tǒng)滴答設(shè)置成了2ms。

CAN接收中斷周期為0.93ms，滴答中斷周期為2ms，假設(shè)不存在其它任何中斷，系統(tǒng)的綜合中斷周期為0.64ms，那款BCM的MCU主頻為64MHz，是現(xiàn)在這款MCU的25MHz主頻的2.56倍，64MHz 主頻可以順利處理0.64ms周期性中斷，25MHz主頻就卡了殼了。

順著這條思路，筆者將系統(tǒng)滴答設(shè)置成了10ms，在CAN接收中斷周期0.93ms，滴答中斷周期為10ms的條件下，系統(tǒng)綜合中斷周期為0.85ms，將中斷負荷降低了33%。系統(tǒng)滴答修改后好多地方需要進行相應(yīng)修改，這么折騰了兩天，再次進行通信測試，報文周期準確性測試通過，筆者懸著的心才放了下來，至于是不是堪堪通過，MCU負荷的余量是否其實已經(jīng)非常小了，那就非筆者水平能夠判斷了。

滴答更改的性能比較

為了量化滴答由2ms提高至10ms帶來的性能提升，筆者定義了一個32位全局變量，在程序的主循環(huán)體中累加，每執(zhí)行一次主循環(huán)體，該變量加一，然后根據(jù)單位時間（1秒）內(nèi)的主循環(huán)執(zhí)行次數(shù)，判斷采用不同滴答的兩個程序的運行效率。

測試發(fā)現(xiàn)，滴答設(shè)置為2ms時，每秒執(zhí)行大約22200次循環(huán)，滴答設(shè)置為10ms時，每秒執(zhí)行大約25100次循環(huán)，效率大約提升了13個百分點。

至于10ms的滴答是否合理，筆者接觸過的ucos和FreeRTOS中的好多移植例程中都把系統(tǒng)滴答設(shè)置成了10ms，足可見10ms的滴答滿足大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的需求。

后記

歸程依然酷暑難耐，由于沒有完成既定的旅游計劃，筆者心中多多少少有那么一丟丟的小遺憾，但是這次測試讓我對中斷、MCU性能又有了更加深刻的認識，也算是收獲滿滿不虛此行了。高鐵窗外的景色飛速向后退去，眼前只模模糊糊地留下一片綠色的影像，旁邊座位上的小姑娘正在嘰嘰喳喳地和媽媽嬉笑打鬧，“如果人們像愛護小孩子那樣愛護MCU，通過合理的設(shè)計減輕它的工作負荷，讓它不要累著，那該是多么美好的機器世界啊?！蔽也唤蛋迪氲?。