用 SysTicks 定时器实现 uptime 功能

陪她去流浪 桃子 2024年01月09日 阅读次数：555

所谓 uptime，通常来说，指系统自启动以来的微秒数（或更精确的：纳秒数）。 比如在 Linux 上，用 uptime 命令来得知系统已经运行的时长是一个常见操作。 注意，这个时间是相对于系统上电以来的，从 0 开始计数，跟真实世界的日历时间无关。 它是单调递增的（除非系统运行的时间已经足够长，定时器发生了溢出）。

Uptime 与 日历时间

uptime 通常由 SysTick 定时器实现，上电就开始递增，跟时钟周期/机器周期同步。 而日历时间（date）通常由 RTC（RealTime Clock，实时时钟）实现，关机后也能正常计时，因为主板上有一颗电池🔋专门为它供电。 由于晶体振荡器的精度（及温飘等）问题，RTC 通常会有误差（且不小），所以联网后，系统通常会自动通过 NTP（Network Time Protocol）向网络时间同步。 （话外：我的大疆无人机，几个月没给遥控器联网，已经有 4 个小时的误差了，真是拉垮！）

日历时间随区域等配置会进行调整（所谓时差/时区，出现“时光倒流”等情况），不适合用来做时间测量工作。 而 uptime 则可以看作是永远单调递增的，适合用来做时间测量工作。比如：性能测试时的计时。

用 SysTick 实现 Uptime

背景 & 设计

最近给老家设计的某款硬件产品需要用到定时器（比如：十分钟后执行某个操作），用到了微控制器（CH32V003）内置的 SysTick 定时器。 官方 SDK 中，仅仅把这个 SysTick 定时器用来作为延时函数使用：进入函数时启动定时器，时间到后退出。其间：死等。 这种独占一个系统资源来死等的方式是非常浪费资源的。所以我废掉了官方的做法，改成了“后台”长期运行的 uptime 实现。 这么基础的功能，虽然看似实现很简单，但是我还是踩了好几个坑。“底层”好难🥵。

SysTick 定时器是 32 位的，按最低的 CPU 主频 8MHz、定时器 8 分频来算，SysTick 会每微秒 Tick 1 次。 那么满打满算，一个 32 位的定时器也就才能：$2^{32}us ≈ 1.2hours$。完全不够用。 如果是 64 位定时器，这个值是 60万年…… 所以，硬件设计上多考虑一下，软件实现将会简单很多🥹

没办法，软件实现。那就开定时器中断，在中断函数里面累加一个高位值即可（定时器当前值表示低位）。 假设定时器溢出时间设置为 $10ms$（FreeRTOS 等实时操作系统的常用分片时间，msPerOsTick）。 那么，获取 uptime 时的时刻即为：$高位值 \times 10ms + 定时器当前时间值$。 把高位值用 uint32_t 来表示，这个时长是 $2^{32} \times 10ms ≈ 1.36years$，勉强够用。 如果换成 uint64_t 来表示，这个时长是 $2^{64} \times 10ms ≈ 60亿年$，地球毁灭也够用了。🥵

初始化

因为在其它微控制器平台我也处理过这样的问题。所以思路及实现就尽量不特定于某平台，总体是一样的。

这里简单描述下好了：

  • 设置 SysTick 从 0 开始计数
  • 设置比较值为 10ms（即 10ms 溢出一次）
  • 开启溢出中断

中断函数

中断函数非常简单（越简单越好），仅仅是累加一下高位：

// 这就是那个高位。也即 OS Tick 数。
static volatile uint64_t _osTicks = 0;

// 中断处理函数
void __attribute__((interrupt())) SysTick_Handler() {
	_osTicks++;
}

可想而知，当前的 $uptime = \_osTicks \times 10ms + 定时器当前值$。 看似简单，但是这一步我踩坑多次。

获取 uptime ——— 踩坑过程

前面提到，当前的 uptime 不就是 $\_osTicks \times 10ms + 定时器当前值$ 就行了吗？ 确实是，所以一种非常 naive 的写法（伪代码）就产生了：

uint64_t SysTick_GetUptime() {
	return _osTicks * 10ms + SysTickCurrent;
}

其中的 SysTickCurrent 表示 SysTick 的当前值。看起来完全没问题？ 确实，我一开始就是这么写的，直到我在统计外部中断的电平持续时间时发现：后面拿到的 uptime 怎么比较先前拿到的 小了（即不是递增的了）？WTF？ 难以置信，直到我打了一堆日志，确定获取到的 uptime 不递增时，我才发现问题不简单。于是剥开了一根火腿（home-made），慢慢吃起来想了想问题出在哪。

后面获取的 _osTicks 只可能大于等于前面获取的，否则就撞鬼了。所以问题不可能是它。 那么问题就一定在 SysTickCurrent 上，因为它会溢出（每 10ms），溢出就归零。

所以，我期待的过程是这样的：

  • 获取到 _osTicks
  • 获取到 SysTickCurrent

然而真正的先后顺序是：

  • 获取到 _osTicks
  • 发生中断
  • 获取到 SysTickCurrent

发生中断后 _osTicks 已经加了 1，SysTickCurrent 也又从 0 开始计数了。 我用发生中断前的 _osTicks 和 SysTickCurrent 来计算 uptime，当然就错了：会出现可能小、可能相等、可能大的三种情况。

所以最终结论是：我拿到的这2️⃣个变量的值均过期了。 我必须保证获取这两个变量的值的时候不能被中断打断。

很意外吧？虽然是单核心的 CPU，竟然也有“多线程数据被其它线程修改”/非“原子操作”类似的问题， 而且还是在一条表达式中（Go 语言中的 unsafe 表达式就被语言确定会被“原子”地执行）。 （注：其实也没有特别意外，毕竟超级马里奥兄弟都已经这么干几十年了。 它的主线程只是个无尽的循环， 真正的事情是全部放在中断中处理的。）

问题已经非常清楚，那么就是解决。方案也有好多种：

  • 获取时先暂停定时器

    暂停定时器就能暂停中断（且不会丢中断）。尝试过，私以为表达式计算非常快，“暂停”对定时器来说影响应该非常小。 而实际上，我外部中断的频率也非常高（1ms），所以会频繁地调用 uptime。所以没跑多久，时间飘到天边去了😂。

  • 直到第二次比第一次大

    就是在函数内部定义静态变量记录最后一次获取时的值，后面获取时，一定要比此值大才有效。 方案可行，但浪费了几个字节的 .data 段空间，抠字节的我不忍心此做法。

  • 确保在两次中断间隔其间获取

    这是最优雅的做法。虽然看起来多了一个循环，但是实际上循环基本不会执行，只会确保在确实发生了中断的情况下执行一次。伪代码如下：

    uint64_t SysTick_GetUptime() {
	uint64_t osTicks;
	uint32_t cnt1, cnt2;

	do {
		cnt1    = SysTickCurrent;
		osTicks = _osTicks;
		cnt2    = SysTickCurrent;
	} while(!(cnt1 < cnt2));

	return osTicks * 10ms + cnt2;
}

    两次获取 SysTickCurrent，如果第二次获取到的值比第一次获取到的值大，那么，就一定能确保这条语句其间没有发生中断， 那么在它们之前获取到的 _osTicks 就一定是正确的。

    有没有可能其它中断函数处理时间太长，使得 cnt2 实际上第二次比 cnt1 大？有可能。但是这个时间，系统复位看门狗该工作了。

参考实现

代码链接：movsb/ch32v003。

ESP32 中的类似实现

我是在踩了坑之后才想到大家应该都会遇到这个问题，于是看了看 ESP-IDF 的实现，看起来很相似：

/* Read LO, HI, then LO again, check that LO returns the same value.
 * This accounts for the case when an interrupt may happen between reading
 * HI and LO values, and this function may get called from the ISR.
 * In this case, the repeated read will return consistent values.
 */
lo_start = systimer_ll_get_counter_value_low(hal->dev, counter_id);
do {
	lo = lo_start;
	hi = systimer_ll_get_counter_value_high(hal->dev, counter_id);
	lo_start = systimer_ll_get_counter_value_low(hal->dev, counter_id);
} while (lo_start != lo);

重写 Delay 延时函数

这个就比较简单的，没有操作系统的话，死等就行：

/**
 * @brief   Microsecond Delay Time.
 * @param   n - Microsecond number.
 * @return  None
 */
void Delay_Us(uint32_t n)
{
	uint64_t t = SysTick_GetUptime();
	while(SysTick_GetUptime() - t < n);
}

标签：CH32V003

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