痞子衡嵌入式：介绍i.MXRT定时器PIT的多通道链接模式及其在coremark测试工程里的应用

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT定时器PIT的多通道链接模式及其在coremark测试里的应用。

　　早在 2018 年 i.MXRT 系列跨界处理器刚推出的时候，痞子衡就写了一篇 《i.MXRT1052性能实测(CoreMark)》，文章详细介绍了在 i.MXRT 上如何一步一步地移植标准 coremark 程序，这篇文章阅读量还不错，据说很多人移植 coremark 都是看得这篇文章。

　　当时痞子衡把移植好的 coremark 工程也一起开源了出来，并且这个仓库痞子衡也是在不断维护的（增加新 MCU 型号支持，以及除了 coremark 之外的一些其他经典程序）。最近有同事向痞子衡反映，这个 coremark 测试工程里关于计时部分有一些可以改进的地方，痞子衡看了一下，确实可以改进，这便是今天本文要聊的主题：

  • 开源地址：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps

一、i.MXRT上的定时器简介

　　工欲善其事，必先利其器。在改进 coremark 测试工程里计时功能之前，我们先来了解一下 i.MXRT 上都有哪些跟计时/计数相关的模块，分别是什么特点，下面是详细列表。单从计时功能角度考虑，SysTick、GPT、PIT、TMR 都是不错的选择。

定时器

基本特性

应用特色

SysTick

24bit 计数器

系统(内核)时钟节拍

GPT

32bit 计数器

计时，外部信号捕获，比较

PIT

32bit 计数器 x 4 ch（可级联）

系统生命周期计时，触发DMA

TMR

16bit 计数器 x 4 ch（可级联）

混合功能：计时，信号捕获，正交解码

eFlexPWM

16bit 计数器 x 6 ch

PWM信号生成

QDC

16bit,32bit - 5 ch

连接位置/速度传感器，正交解码

WDOG

给定时间选项/16bit

系统复位

二、计时设计对coremark测试程序影响

　　我们知道 coremark 标准的测试逻辑是在某配置参数组合下单位时间内跑了多少次 coremark 程序，一般情况下要求至少跑 10s 以上，因此计时部分的设计是很重要的。

　　在早期 i.MXRT1050 coremark 工程里，痞子衡选用了 PIT（channel 0 - 32bit）负责计时，为 PIT 配置的时钟源是 24MHz 外部 OSC，定时器一次超时耗时约 178s，这种情况下，痞子衡也没有使能 PIT 中断，假定了一次 coremark 程序跑完不会碰到超时的情况，但显然这种设计是不完善的。

　　此外我们知道定时器时钟源频率越高，计时粒度越细，计时时间也就越精确。大部分定时器时钟源都可以配到系统 IPG bus 总线频率（在 i.MXRT10xx 上可到 125MHz/150MHz，在 i.MXRT1170 上可到 240MHz），我们可以尝试将定时器设到最高频率的时钟源，这时候就不得不考虑定时器超时中断处理问题了。

　　使能定时器超时中断，可以保证计时的严谨性，解决了 coremark 程序运行时间和次数的限制。但是频繁的定时器中断响应也会不断打断 coremark 程序的执行，对最终跑分结果产生不利影响，这个问题同样需要解决。

三、PIT定时器多通道链接模式

　　前面说了 SysTick、GPT、PIT、TMR 都可以用作 coremark 测试工程定时器，但最终痞子衡还是选定了 PIT，因为 PIT 是最适合作为系统运行生命周期总计时器的，这主要得益于 PIT 内部有 4 个 32bit 计时器，并且可以链接使用（串连）。

　　要是将 4 个 32bit 计数器串成一个 128bit 超强计数器（channel 0 计数溢出，channel 1 计数加 1...），即使系统运行到地老天荒都不会出现一次超时（这里指最后一链 channel 3 中断触发），所以也就根本不用管定时器中断处理的事。

　　PIT 通道链接模式使能也很简单，主要在 PIT->CHANNEL[x].TCTRL[CHN] 位上，这个位开启后，channel x 就和 channel x-1 连了起来。下面是 channel 0 和 channel 1 串连组成 64bit 计数器的初始化代码：

void timer_pit_init(void)
{
    // Turn on PIT: MDIS = 0, FRZ = 0
    PIT->MCR = 0x00;
    // Set up timer 1 to max value
    PIT->CHANNEL[1].LDVAL = 0xFFFFFFFF;          // setup timer 1 for maximum counting period
    PIT->CHANNEL[1].TCTRL = 0;                   // Disable timer 1 interrupts
    PIT->CHANNEL[1].TFLG = 1;                    // clear the timer 1 flag
    PIT->CHANNEL[1].TCTRL |= PIT_TCTRL_CHN_MASK; // chain timer 1 to timer 0
    PIT->CHANNEL[1].TCTRL |= PIT_TCTRL_TEN_MASK; // start timer 1
    // Set up timer 0 to max value
    PIT->CHANNEL[0].LDVAL = 0xFFFFFFFF;         // setup timer 0 for maximum counting period
    PIT->CHANNEL[0].TFLG = 1;                   // clear the timer 0 flag
    PIT->CHANNEL[0].TCTRL = PIT_TCTRL_TEN_MASK; // start timer 0
}

　　实际上我们也根本不需要 128bit 计数器，64bit 计数器就完全够用了，就以 150MHz 时钟源来说，超时一次需要约 3899 年，谁需要操心 3899 年后的事情呢？此外，在 channel 0 和 channel 1 串联的情况下，PIT 还提供了一个 64bit lifetime 计数器，直接读这个计数器就能获取当前 channel 0,1 串连的计数值，不用考虑手动读 channel 0,1 计数值可能会发生的潜在翻转问题（rollover）。

　　你看，使能了 PIT 通道链接用法后就完美地解决了 coremark 测试程序计时设计问题。

uint64_t timer_pit_get_ticks() {
    uint64_t valueH;
    volatile uint32_t valueL;
#if defined(FSL_FEATURE_PIT_HAS_LIFETIME_TIMER) && (FSL_FEATURE_PIT_HAS_LIFETIME_TIMER == 1)
    valueH = PIT->LTMR64H;
    valueL = PIT->LTMR64L;
#else
    do
    {
        valueL = PIT->CHANNEL[0].CVAL;
        valueH = PIT->CHANNEL[1].CVAL;
    } while (valueL < PIT->CHANNEL[0].CVAL);
#endif // FSL_FEATURE_PIT_HAS_LIFETIME_TIMER
    return ~((valueH << 32) | valueL);
}

四、关于coremark上计时的其他改进点

　　最后再提两个 coremark 测试程序设计小改进点，一是在一些双核型号上（比如 i.MXRT1170, CM7 和 CM4），如果两个核同时跑 coremark 程序要用到不同 PIT 的话，需要检查它们是不是共用一个时钟开关，防止出现 CM7 上跑完了 coremark 之后关掉 PIT，影响 CM4 那边 coremark 程序对 PIT 寄存器的访问。

　　第二个改进点是 core_main.c 里的 main() 函数在打印 Total ticks 时会将 u64 型的 total_time 变量强制转为 u32 型，以便于 %lu 格式化输出（32位无符号整数），这里最好还是保留原来 u64 精度，痞子衡尝试了 %llu 格式化输出（64位无符号整数），结果在 ee_printf() 下不生效，所以做了个如下手动转换版：

MAIN_RETURN_TYPE main(void) {
    // 代码省略...
    uint64_t total_time;
    total_time=get_time();
    //ee_printf("Total ticks      : %lu
",(ee_u32)total_time);
    if (total_time & (~(uint64_t)0xFFFFFFFF))
    {
        ee_printf("Total ticks      : ");
        ee_printf("%lu",  (ee_u32)(total_time / 1000000000));
        ee_printf("%lu
",(ee_u32)(total_time % 1000000000));
    }
    else
    {
        ee_printf("Total ticks      : %lu
",(ee_u32)total_time);
    }
    // 代码省略...
}

　　至此，i.MXRT定时器PIT的多通道链接模式及其在coremark测试里的应用痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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