英创信息技术Linux应用程序实现精确延时介绍

在Linux应用程序中，常用的延时函数包括sleep()、usleep()、select()等，这几个延时函数函数的执行机制，都是将当前线程挂起，由操作系统做延时，然后再恢复当前线程。这意味着其延时的最小间隔是两次线程切换时间。经测试，在单一线程情况下，两次线程的切换时间在150us左右。大多数情况下，应用程序会有多个线程在运行，这时线程恢复有可能在下一个时间片，而Linux系统缺省的线程轮片时间为10ms，这意味着只有当延时在大于10ms情况时，常规的延时函数才有意义。在工控领域，我们常常碰到需要微秒级的延时需求，例如实现某种读写时序等，这时Linux系统的常规延时函数难于满足其需求。针对这样的应用需求，我们设计了采用内存映射的方法操作主板的硬件定时器和GPIO，从而产生出具有微秒精度的脉冲波形来。下面就详细介绍如何在用户进程实现这样的精确延时的操作。

以EM335x工控主板为例，用其内部的定时器来实现精确延时的功能，EM335x内部定时器的输入时钟为24MHz，单位时间为41.6ns，通过将Linux系统的mem设备文件和mmap()函数结合起来使用，可直接对EM335x内部定时器的寄存器进行操作，再通过同样的方式控制GPIO，实现：（1）设置GPIO，（2）启动定时器，当检测到定时器计数完毕，（3）再设置GPIO，共三个步骤，就可产生精确时间间隔的脉冲。

Linux系统中的/dev/mem设备文件，是专门用来读写物理地址用的，里面的内容是所有物理内存的地址以及内容信息。只要我们使用mmap()函数将/dev/mem设备文件映射到进程地址空间，实现对内存物理地址的读写，就能够通过这种方式快速的对GPIO和定时器进行操作，而mmap操作提供了一种机制，让用户程序直接访问设备内存，这样就相当于直接对硬件进行操作，从而避开了驱动程序，如果调用驱动就需要在用户空间和内核空间互相拷贝数据，还会涉及到系统调度等机制，效率将会变低。

将/dev/mem/设备文件中定时器的地址映射到用户进程空间的代码：
void *timer_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap Timer */
base = mmap(
NULL, 　　　　　　　　　　　　//　起始地址
DMTIMER_DEV_SIZE,　　　　 　//　映射的文件内容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,　　//　映射区域可读可写
MAP_SHARED,　　　　　　　 　//　映射区域的写入数据会写回到原来的文件
mem_fd,
BASE　　　　　　　　　　　　//　被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

将/dev/mem/设备文件中GPIO的地址映射到用户进程空间的代码：
void *GPIO_MMAP::gpio_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap GPIO */
base = mmap(
NULL,　　　　　　　　　　　　//　起始地址
GPIO_DEV_SIZE,　　　　　 　　//　映射的文件内容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,　　//　映射区域可读可写
MAP_SHARED,　　　　　　　　//　映射区域的写入数据会写回到原来的文件
mem_fd,
BASE　　　　　　　　　　 　　//　被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

成功执行时，mmap()函数返回被映射区的指针。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write()等操作。只需要使用返回的地址指针在对应的寄存器的偏移地址赋值，就可以完成操作。在例程中已经将函数接口引出（详细的代码请参考例程）：
ptr=Timer_Init();　　　　　　　　　　　　//　初始化，将定时器地址映射到用户进程
Timer_Start(ptr, GPIO0, 0xfffffffa);　　　　 //　启动定时器，并设置时间和哪一位GPIO

定时器是从0计数到0xffffffff，需要实现定时功能，我们就要改变定时器的初值，上面的程序中0xfffffffa为定时器的初值，前面提到过由于EM335x定时器时钟为24MHZ，所以定时器单位时间为1/24000000=41.6ns，假设程序访问寄存器还需要花费时间T0，在计算初值的时候，就需要加上这一部分时间才能保证准确性，因此定时器取值的计算公式为：
T=0xffffffff-(目标延时/41.6ns)+T0

经过测试，执行一次程序访问寄存器所需花费的时间大约为T0=800ns。举个例子，比如目标延时为2μs，那么定时器初值为：0xffffffff-(2000/41.6)+800，也就是0xffffffe2，测试的时候带入这个值，再进行微调，即可得到想要的结果。

使用英创工控主板运行例程测试，分别测试延时1μs，1.5μs，2μs，5μs，10μs时的精度，结果如下：

目标延时	定时器取值	实际延时
Min	Max
1us	0xfffffffa	1.14us	1.20us

1us的测试波形

目标延时	定时器取值	实际延时
Min	Max
1.5us	0xffffffee	1.46us	1.52us

1.5μs的测试波形

目标延时	定时器取值	实际延时
Min	Max
2us	0xffffffe2	1.90us	2.08us

2μs的测试波形

目标延时	定时器取值	实际延时
Min	Max
5us	0xffffff9a	4.92us	5.04us

5μs的测试波形

目标延时	定时器取值	实际延时
Min	Max
10us	0xffffff22	9.90us	10.10us

10μs的测试波形

可以看到，在1μs时，误差范围在±200ns左右，超过1μs，其余的取值，误差都在±100ns以内，随着延时的增加，精确度将越来越高，在10μs的时候，误差已经非常小了。

通过以上方案实现了在用户进程对精确延时的操作，详细的操作代码请参考例程。

关于这一方法在EM9x60系列工控主板上的实现可阅读下文：英创嵌入式主板支持精确延时操作之二

注意事项：我们推荐客户直接使用例程中引出的接口进行操作，不推荐客户对硬件访问这一部分代码进行修改，以免在操作的时候出现无法预估的错误。