嵌入式计数器(timer/ticks)溢出(Overflow)处理，嵌入式计数器运算带溢出保护

2024-02-22 20:36
文章标签 处理 运算 嵌入式 保护 溢出 overflow 计数器 timer ticks

本文主要是介绍嵌入式计数器(timer/ticks)溢出(Overflow)处理，嵌入式计数器运算带溢出保护，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

简介

在嵌入式开发中，经常有计时以及时间比较的需要，如时间是否到达或者时间间隔等，本项目主要解决各种场景下的时间计算。

本项目地址：bobwenstudy/easy_timer (github.com)

嵌入式环境的时间是回环的，也就是说以32bit为单位，计时器单位为1us的话，就是每经过0x100000000(us)=4,294,967.296(ms)=4,294.967296(s)≈1.193(h)，时间就会回环一次，如下图所示。

image-20240222114308729

这样就会有个问题，在边界场景进行时间运算时，会有可能出现计算异常。

在对timer进行计算时，通常需要用到如下几个操作函数past，sub和add函数，一般的实现如下所示。

/*** @brief  Check two absolute times past: time1<time2.* @param[in]  time1: Absolute time expressed in internal time units.* @param[in]  time2: Absolute time expressed in internal time units.* @return resulting 1 means past(time1<time2).*/
int timer_past(uint32_t time1, uint32_t time2)
{return time1 < time2;
}
/*** @brief  Returns the difference between two absolute times: time1-time2.* @param[in]  time1: Absolute time expressed in internal time units.* @param[in]  time2: Absolute time expressed in internal time units.* @return resulting signed relative time expressed in internal time units.*/
int32_t timer_sub(uint32_t time1, uint32_t time2)
{return time1 - time2;
}/*** @brief This function returns the sum of an absolute time and a signed relative time.* @param[in]  time1: Absolute time expressed in internal time units.* @param[in]  ticks: Signed relative time expressed in internal time units.* @return 32bit resulting absolute time expressed in internal time units.*/
uint32_t timer_add(uint32_t time1, int32_t ticks)
{return time1 + ticks;
}

下面分别以如下2种场景进行分析。

0xFFFFFFFF的时间回环问题

如下图所示，有A(0xFFFFFFF0)，B(0x10)，C(0x20)三个时间点，从图片上，可以直观的知道（假定时间点间隔不超过总时间一半），时间先后关系是，A最早，B次之，C最晚。

C和B的时间差是0x10，B和A的时间差是0x20。

image-20240222114610498

带入上面的函数计算，会发现涉及到A的计算，timer_past结果都是错的。不过timer_add和timer_sub的计算是对的，这是因为最大值是0xFFFFFFFF，溢出的部分，自动做了处理。

void test_work(void)
{SUITE_START("test_work");uint32_t A = 0xFFFFFFF0;uint32_t B = 0x10;uint32_t C = 0x20;int res;int32_t diff;uint32_t tmp;// timer past testres = timer_past(A, B); // ERROR, Get res=0, Expect res=1;ASSERT(res == 1);res = timer_past(B, C); // SUCCESS, Get res=1, Expect res=1;ASSERT(res == 1);// timer add testtmp = timer_add(A, 0x20); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);tmp = timer_add(B, 0x10); // SUCCESS, Get tmp=0x20, Expect tmp=0x20;ASSERT(tmp == 0x20);tmp = timer_add(C, -0x10); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);// timer sub testdiff = timer_sub(B, A); // SUCCESS, Get diff=0x20, Expect res=0x20;ASSERT(diff == 0x20);diff = timer_sub(C, B); // SUCCESS, Get diff=0x10, Expect res=0x10;ASSERT(diff == 0x10);SUITE_END();
}

非0xFFFFFFFF的时间回环问题

在某些场景，计数值并不能以0xFFFFFFFF为最大值（如蓝牙时钟以28bit为周期等），这时候时间计算问题会更复杂。

依然是上面的例子，最大值为0x00FFFFFF。如下图所示，有A(0x00FFFFF0)，B(0x10)，C(0x20)三个时间点，从图片上，可以直观的知道（假定时间点间隔不超过总时间一半），时间先后关系是，A最早，B次之，C最晚。

C和B的时间差是0x10，B和A的时间差是0x20。

image-20240222143537713

带入上面的函数计算，会发现涉及到A的计算，timer_past、timer_add和timer_sub的计算都是错的，这是因为没人帮忙做溢出处理了。

void test_work_insuff(void)
{SUITE_START("test_work_insuff");uint32_t A = 0x00FFFFF0;uint32_t B = 0x10;uint32_t C = 0x20;int res;int32_t diff;uint32_t tmp;// timer past testres = timer_past(A, B); // ERROR, Get res=0, Expect res=1;ASSERT(res == 1);res = timer_past(B, C); // SUCCESS, Get res=1, Expect res=1;ASSERT(res == 1);// timer add testtmp = timer_add(A, 0x20); // ERROR, Get tmp=0x01000010, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);tmp = timer_add(B, 0x10); // SUCCESS, Get tmp=0x20, Expect tmp=0x20;ASSERT(tmp == 0x20);tmp = timer_add(C, -0x10); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);// timer sub testdiff = timer_sub(B, A); // ERROR, Get diff=0xFF000020, Expect res=0x20;ASSERT(diff == 0x20);diff = timer_sub(C, B); // SUCCESS, Get diff=0x10, Expect res=0x10;ASSERT(diff == 0x10);SUITE_END();
}

总结

综上，可以看出，涉及时间回环，不能单靠CPU自身处理，还是需要根据具体情况进行不同的处理。

代码结构

代码结构如下所示：

  • etimer.h：EasyTimer管理API，都是inline实现，可以根据需要转成c实现。
  • etimer16.h：EasyTimer管理16bit处理API，都是inline实现，可以根据需要转成c实现。
  • main.c：测试例程。
  • build.mk和Makefile：Makefile编译环境。
  • README.md：说明文档
easy_timer├── etimer.h├── etimer16.h├── build.mk├── main.c├── Makefile└── README.md

使用说明

具体如何使用直接看例程就行，非常简单，看函数名和变量名即可。

0xFFFFFFFF的时间回环问题处理

使用提供etimer接口操作即可。

void test_work_etimer(void)
{SUITE_START("test_work_etimer");uint32_t A = 0xFFFFFFF0;uint32_t B = 0x10;uint32_t C = 0x20;int res;int32_t diff;uint32_t tmp;// timer past testres = etimer_past(A, B); // SUCCESS, Get res=1, Expect res=1;ASSERT(res == 1);res = etimer_past(B, C); // SUCCESS, Get res=1, Expect res=1;ASSERT(res == 1);// timer add testtmp = etimer_add(A, 0x20); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);tmp = etimer_add(B, 0x10); // SUCCESS, Get tmp=0x20, Expect tmp=0x20;ASSERT(tmp == 0x20);tmp = etimer_add(C, -0x10); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);// timer sub testdiff = etimer_sub(B, A); // SUCCESS, Get diff=0x20, Expect res=0x20;ASSERT(diff == 0x20);diff = etimer_sub(C, B); // SUCCESS, Get diff=0x10, Expect res=0x10;ASSERT(diff == 0x10);SUITE_END();
}

非0xFFFFFFFF的时间回环问题处理

使用提供etimer的raw接口，并配置好max_value和overflow值即可。

注意，overflow值一般取max_value的一半。

void test_work_etimer_insuff(void)
{SUITE_START("test_work_etimer_insuff");uint32_t A = 0x00FFFFF0;uint32_t B = 0x10;uint32_t C = 0x20;uint32_t max_value = 0x00FFFFFF;uint32_t overflow = max_value / 2;int res;int32_t diff;uint32_t tmp;// timer past testres = etimer_past_raw(A, B, overflow); // SUCCESS, Get res=1, Expect res=1;ASSERT(res == 1);res = etimer_past_raw(B, C, overflow); // SUCCESS, Get res=1, Expect res=1;ASSERT(res == 1);// timer add testtmp = etimer_add_raw(A, 0x20, max_value); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);tmp = etimer_add_raw(B, 0x10, max_value); // SUCCESS, Get tmp=0x20, Expect tmp=0x20;ASSERT(tmp == 0x20);tmp = etimer_add_raw(C, -0x10, max_value); // SUCCESS, Get tmp=0x10, Expect tmp=0x10;ASSERT(tmp == 0x10);// timer sub testdiff = etimer_sub_raw(B, A, overflow, max_value); // SUCCESS, Get diff=0x20, Expect res=0x20;ASSERT(diff == 0x20);diff = etimer_sub_raw(C, B, overflow, max_value); // SUCCESS, Get diff=0x10, Expect res=0x10;ASSERT(diff == 0x10);SUITE_END();
}

API说明

主要有以下API。可以看到每个api都提供了一个带_raw的接口，用于处理非0xFFFFFFFF的场景。

static inline int etimer_past_raw(uint32_t time1, uint32_t time2, uint32_t overflow);
static inline int etimer_past(uint32_t time1, uint32_t time2);
static inline uint32_t etimer_add_raw(uint32_t time1, int32_t ticks, uint32_t max_value);
static inline uint32_t etimer_add(uint32_t time1, int32_t ticks);
static inline int32_t etimer_sub_raw(uint32_t time1, uint32_t time2, uint32_t overflow,uint32_t max_value);
static inline int32_t etimer_sub(uint32_t time1, uint32_t time2);

API说明16bit

部分场景下，嵌入式只需要16bit的计数器，这时用raw来运算有点浪费性能，所以提供了16bit的操作API，详见etimer16.h。

带_raw的接口，用于处理非0xFFFF的场景。

static inline int etimer16_past_raw(uint16_t time1, uint16_t time2, uint16_t overflow);
static inline int etimer16_past(uint16_t time1, uint16_t time2);
static inline uint16_t etimer16_add_raw(uint16_t time1, int16_t ticks, uint16_t max_value);
static inline uint16_t etimer16_add(uint16_t time1, int16_t ticks);
static inline int16_t etimer16_sub_raw(uint16_t time1, uint16_t time2, uint16_t overflow,uint16_t max_value);
static inline int16_t etimer16_sub(uint16_t time1, uint16_t time2);

测试说明

环境搭建

目前测试暂时只支持Windows编译，最终生成exe，可以直接在PC上跑。

目前需要安装如下环境：

  • GCC环境，笔者用的msys64+mingw，用于编译生成exe，参考这个文章安装即可。Win7下msys64安装mingw工具链 - Milton - 博客园 (cnblogs.com)。

编译说明

本项目都是由makefile组织编译的，编译整个项目只需要执行make all即可。

也就是可以通过如下指令来编译工程：

make all

而后运行执行make run即可运行例程，例程中实现了上述文档说明的问题和API的基本测试。

PS D:\workspace\github\easy_timer> make run
Building   : "output/main.exe"
Start Build Image.
objcopy -v -O binary output/main.exe output/main.bin
copy from `output/main.exe' [pei-i386] to `output/main.bin' [binary]
objdump --source --all-headers --demangle --line-numbers --wide output/main.exe > output/main.lst
Print Sizetext    data     bss     dec     hex filename57888    2888    2644   63420    f7bc output/main.exe
./output/main.exe
failed assert [main.c:810] res == 1
Testing test_work .......................................................... fail
failed assert [main.c:845] res == 1
failed assert [main.c:851] tmp == 0x10
failed assert [main.c:859] diff == 0x20
Testing test_work_insuff ................................................... fail
Testing test_work_etimer ................................................... pass
Testing test_work_etimer_insuff ............................................ pass
Testing test_etimer_past ................................................... pass
Testing test_etimer_sub .................................................... pass
Testing test_etimer_add .................................................... pass
Testing test_etimer_raw_past ............................................... pass
Testing test_etimer_raw_sub ................................................ pass
Testing test_etimer_raw_add ................................................ pass
Testing test_etimer16_past ................................................. pass
Testing test_etimer16_sub .................................................. pass
Testing test_etimer16_add .................................................. pass
Testing test_etimer16_raw_past ............................................. pass
Testing test_etimer16_raw_sub .............................................. pass
Testing test_etimer16_raw_add .............................................. pass
Executing 'run: all' complete!

可以看到，所有涉及到etimer的测试都通过。

这篇关于嵌入式计数器(timer/ticks)溢出(Overflow)处理，嵌入式计数器运算带溢出保护的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/736425。

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