合理設(shè)置MCU滴答 千萬(wàn)不要累著它

2017年盛夏，北京街頭，晴空萬(wàn)里，無(wú)風(fēng)。

近乎凝滯的空氣中一點(diǎn)風(fēng)都沒(méi)有，惱人的知了無(wú)停無(wú)休地叫著，不疲也不厭，讓人很是懷疑它們的居心。被太陽(yáng)曬得發(fā)焦的柏油路面熱氣騰騰，像被曬干了肚皮的魚(yú)兒一樣無(wú)聲地嘶嚎著。呼嘯而過(guò)的汽車(chē)排著滾燙的尾氣，急匆匆地想要逃離這個(gè)世界，偶爾響起的一聲喇叭，就像向太陽(yáng)求饒一般。地鐵站和周?chē)慕ㄖ粫竦脽o(wú)精打采的，無(wú)可奈何地矗立在似火驕陽(yáng)的暴曬之下。剛從地鐵站出來(lái)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(lái)，我頂著發(fā)燙的頭皮，在心中一片哀號(hào)，“北京真熱?。　?/p>

筆者這次頂著大熱天來(lái)帝都，是帶著莊嚴(yán)而神圣的任務(wù)過(guò)來(lái)的：給一個(gè)車(chē)廠做了一款PEPS，領(lǐng)導(dǎo)讓過(guò)來(lái)做總線測(cè)試。

出師不利，測(cè)試遇阻

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

筆者其實(shí)是帶著輕松愉快的心情過(guò)來(lái)測(cè)試的，因?yàn)樽鲞@款PEPS產(chǎn)品之前做了一款BCM，當(dāng)時(shí)這款BCM已經(jīng)量產(chǎn)，而且也在汽車(chē)廠進(jìn)行過(guò)總線測(cè)試，對(duì)比來(lái)看，這兩家車(chē)廠的測(cè)試條目差不多，筆者就把當(dāng)時(shí)BCM上的代碼移植到了這款PEPS上，根據(jù)不同之處進(jìn)行了相應(yīng)修改。按照紅芯瀏覽器聯(lián)合創(chuàng)始人的說(shuō)法，雖然用的是開(kāi)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(pán)算著，既然BCM的總線測(cè)試都通過(guò)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(xiě)的，所以PEPS這次測(cè)試也絕對(duì)是可控的，應(yīng)該比較順利。

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

中斷頻繁，MCU不堪重負(fù)

“不一樣”的宮斗劇《延禧攻略》最近火得不得了，自帶無(wú)敵光環(huán)的延禧宮主子魏瓔珞說(shuō)過(guò)，事情來(lái)了就不要怕！但是，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)報(bào)文周期準(zhǔn)確性測(cè)試失敗時(shí)，心中還是怕怕的，因?yàn)槲冶灸艿匾庾R(shí)到，旅游計(jì)劃肯定是泡湯了，總線負(fù)載率100%意味著CAN總線接收中斷過(guò)于頻繁，測(cè)試失敗不是邏輯上的錯(cuò)誤導(dǎo)致，而是MCU性能限制導(dǎo)致的系統(tǒng)性問(wèn)題。在換不了MCU的情況下，需要做大量?jī)?yōu)化才能降低MCU的負(fù)荷，將有限的性能用在CAN報(bào)文接收中斷的處理上和周期報(bào)文的發(fā)送上。

科學(xué)研究工作是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模a(chǎn)品開(kāi)發(fā)亦是如此，為了更好地量化MCU的負(fù)荷，我做了如下分析：

整車(chē)廠規(guī)定所有總線報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，根據(jù)CAN報(bào)文格式，一個(gè)8字節(jié)數(shù)據(jù)場(chǎng)的CAN報(bào)文的位數(shù)為1（幀起始）+ 12（仲裁場(chǎng)）+ 6（控制場(chǎng)）+ 64（數(shù)據(jù)場(chǎng)）+ 16（CRC場(chǎng)）+ 2（應(yīng)答場(chǎng)）+ 7（幀結(jié)尾）=108位。報(bào)文之間存在幀間空間INTERFRAME SPACE。幀間包括間歇場(chǎng)、總線空閑的位場(chǎng)。間歇場(chǎng)包括3 個(gè)“隱性”的位?？偩€空閑的（時(shí)間）長(zhǎng)度是任意的。

所以，一個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀至少需要（108+3+1）* 位時(shí)長(zhǎng)的時(shí)間，總線波特率為125KHz，位時(shí)長(zhǎng)為8us，經(jīng)計(jì)算得知，一條總線報(bào)文的最短時(shí)間長(zhǎng)度為0.896ms，為了計(jì)算方便，按0.9ms計(jì)。

在這次測(cè)試中，PEPS發(fā)送報(bào)文消耗的總線帶寬大約為3%，這就意味著，在總線負(fù)載率是100%的情況下，CAN報(bào)文接收中斷的周期為0.9/0.97=0.93ms，即，PEPS每隔0.93ms都會(huì)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(jī)，主頻不過(guò)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(bào)文接收中斷服務(wù)程序?qū)懙梅浅：?jiǎn)潔，根本不存在任何優(yōu)化空間，這條測(cè)試項(xiàng)目制造出100%總線負(fù)載率，CAN報(bào)文接收中斷頻率就是那么慘無(wú)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(shí)應(yīng)用，所以無(wú)論用不用操作系統(tǒng)，都會(huì)有一個(gè)“系統(tǒng)滴答”，它以固定的時(shí)間間隔觸發(fā)中斷，為各種定時(shí)應(yīng)用提供時(shí)間基準(zhǔn)。這也是一個(gè)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(huì)牽扯到好多定時(shí)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(lái)用，于是也原封不動(dòng)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(fù)荷降低了33%。系統(tǒng)滴答修改后好多地方需要進(jìn)行相應(yīng)修改，這么折騰了兩天，再次進(jìn)行通信測(cè)試，報(bào)文周期準(zhǔn)確性測(cè)試通過(guò)，筆者懸著的心才放了下來(lái)，至于是不是堪堪通過(guò)，MCU負(fù)荷的余量是否其實(shí)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(lái)的性能提升，筆者定義了一個(gè)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(shí)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(gè)程序的運(yùn)行效率。

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

至于10ms的滴答是否合理，筆者接觸過(guò)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(jiàn)10ms的滴答滿(mǎn)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(méi)有完成既定的旅游計(jì)劃，筆者心中多多少少有那么一丟丟的小遺憾，但是這次測(cè)試讓我對(duì)中斷、MCU性能又有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，也算是收獲滿(mǎn)滿(mǎn)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(ài)護(hù)小孩子那樣愛(ài)護(hù)MCU，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)減輕它的工作負(fù)荷，讓它不要累著，那該是多么美好的機(jī)器世界啊。”我不禁暗暗想到。