【龙芯1c库】封装软件延时接口和使用示例

最新推荐文章于 2024-01-12 10:02:01 发布

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本文介绍了龙芯1c库中封装的delay_us(), delay_ms(), delay_s()延时函数，提供了测试代码和结果，详细分析了源码，探讨了如何提高延时精度。" 124982897,9885567,Verilog中的数值与变量详解,"['FPGA开发', '硬件描述语言', 'Verilog语法', '数字电路', '模块例化']

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龙芯1c库是把龙芯1c的常用外设的常用功能封装为一个库，类似于STM32库。Git地址：https://gitee.com/caogos/OpenLoongsonLib1c

程序中难免会用到延时函数，一般通过执行n个nop指令实现延时。为此封装了delay_us(i), delay_ms(i), delay_s(i)三个函数，分别延时ius, ims, is。并测试了几个函数的延时精度，除了延时时间为几微秒时，精度稍微差一些之外，其它延时时间长度，误差都尽量控制在了一两个单位之内。

本文先讲解封装的延时接口函数如何使用，再展示测试的效果，再分析延时函数的源码，最后再尝试着优化并给出优化后的代码和测试结果。

龙芯1c库中软件延时接口使用示例

软件延时接口简介

共提供三个接口，微秒，毫秒，秒三个级别的延时各一个，如下

/*
 * 延时指定时间，单位ms
 * @j 延时时间，单位ms
 */
void delay_ms(int j);


/*
 * 延时指定时间，单位us
 * @n 延时时间，单位us
 */
void delay_us(int n);


/*
 * 延时指定时间，单位s
 * @i 延时时间，单位s
 */
void delay_s(int i);

比如，延时50us，调用语句为delay_us(50);

延时50ms，调用语句为delay_ms(50);

延时1s，调用语句为delay_s(1);

为每个接口设计了一个测试用例，通过延时指定时间将gpio拉低拉高，用示波器观察波形的方式来测试，微秒和毫秒的用例里面依次产生占空比为0.5，周期为2个单位，10个单位，100个单位和500个单位的pwm波形。秒的测试用例里只产生周期2s和10s的pwm。

测试delay_ms()

测试代码

// 测试延时函数delay_1ms()
void test_delay_1ms(void)
{
    unsigned int gpio = 6;
    int time = 0;

    gpio_init(gpio, gpio_mode_output);
    gpio_set(gpio, gpio_level_high);

    // 产生不同宽度的高低电平，用示波器观察高低电平宽度是否正确
    while (1)
    {
        // 2ms
        time = 2/2;
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 10ms
        time = 10/2;
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 100ms
        time = 100/2;
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 500ms
        time = 500/2;
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_ms(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);        
    }
}

测试结果

每格200ms时，可以看到好几个完整的波形

周期为500ms的，实际测量结果为497ms

周期为100ms的，实际测量结果为98.9ms

周期为10ms的，实际测量结果为9.91ms

最后再来看看，周期为2ms的，实际测量结果为1.98ms。

如果觉得这个精度不够，还可以微调，给代码中k_max一个补偿值（代码在后面）。

测试delay_us()

测试代码

// 测试延时函数delay_1us()
void test_delay_1us(void)
{
    unsigned int gpio = 6;
    int time;

    gpio_init(gpio, gpio_mode_output);
    gpio_set(gpio, gpio_level_high);

    // 产生不同宽度的高低电平，用示波器观察高低电平宽度是否正确
    while (1)
    {
        // 2us
        time = 2/2;
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 10us
        time = 10/2;
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 50us
        time = 50/2;
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 100us
        time = 100/2;
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 500us
        time = 500/2;
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_us(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);
    }
}

这里多增加了一个延时时间50us。因为源码中将1到1000us分为三段（1-10,10-100,100-1000），分别优化，以尽量提高延时精度，不论延时时间长度是多少。

测试结果

每格为200us时，看到的整个波形

周期为500us的波形，实际测量值为501us。

周期为100us的波形，实际测量值为98.7us
程序不变，按复位键复位后，相邻两次测量可能有1us左右的偏差。

周期为50us的波形，实际测量为51.9us

周期为10us的波形，实际测量值为10.4us

周期为2us的波形，实际测量值为5.46us。
从这个测试结果看来，当延时时间只有几微秒时，误差比较大。当然应该可以再继续优化达到更好效果，我这里就不优化，感兴趣的可以自己优化试试。

测试delay_s()

测试代码

// 测试延时函数delay_1s()
void test_delay_1s(void)
{
    unsigned int gpio = 6;
    int time;

    gpio_init(gpio, gpio_mode_output);
    gpio_set(gpio, gpio_level_high);

    while (1)
    {
        // 2s
        time = 2/2;
        delay_s(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_s(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);

        // 10s
        time = 10/2;
        delay_s(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_low);
        delay_s(time);
        gpio_set(gpio, gpio_level_high);
    }
}

测试结果

周期太长，示波器都不能完整显示一个周期的。

周期10s的波形，周期太长，只能看到一部分，这里测量了一下高电平部分的宽度。实际测量结果为4.99s

最后来看看周期为2s的实际结果，实际测量值为1.99s。

封装延时函数接口

要点

处理器有nop汇编指令，就是执行空操作，什么也不做，就占用一点时间而已。既然是执行n个nop指令，理论上可以通过控制nop指令执行的次数n实现“精确”延时，基于这点理论基础，本文尽可能的提高延时精度。
如果编译选项开启了-O2优化选项的话，不论是while还是for循环执行空操作很容易被编译器优化掉。避免被编译器优化掉，在for循环中使用__asm__ ("nop")代替“；”执行空操作。
当延时时间很短时，比如几us，可能需要考虑GPIO反转速度，除了for循环之外函数内其它指令占用的时间等等。
有必要的话可以使用命令“mipsel-linux-objdump -S OpenLoongsonLib1c > objdump.txt”反汇编，可以查看到更多细节。

源码清单

delay_ms()

/*
 * 延时指定时间，单位ms
 * @j 延时时间，单位ms
 */
void delay_ms(int j)
{
    int k_max = clk_get_cpu_rate()/1000/3;  // 除以1000表示ms，除以3为测试所得的经验(可以理解为最内层循环执行一次需要的时钟个数)
    int k = k_max;

    for ( ; j > 0; j--)
    {
        for (k = k_max; k > 0; k--)
        {
            __asm__ ("nop");        // 注意，这里必须用内联汇编，否则会被优化掉
        }
    }

    return ;
}

代码很简单，应该能看懂。最里层for循环延时1ms，外面一层for循环根据入参j的值，控制执行多少个延时1ms，实现延时jms。

重点分析一下最里层的for循环，总共执行k_max个nop指令，变量k_max值的大小指定决定延时时间长度。为了便于移植，这里选择读取cpu的频率，如果没有流水线的话，通常一个cpu时钟执行一个nop指令，但龙芯1c是有流水线的，再加上最里层的for循环出来nop指令之外，至少还有判断K>0和k--。所以最里层的for循环执行一次需要的时间最好是通过反汇编来看，这里选择了通过测量来获得一个经验值，经过测量3个cpu时钟执行一次最里层的for循环，这也是k_max初始值里面需要cpu频率除以3的原因。
把cpu频率除以1000就是1ms内cpu时钟个数，再除以3（一个最里层for循环执行需要3个cpu时钟）就是for循环执行次数。
延时1ms，外层for循环执行一次，延时n毫秒，外层for循环执行n次。外层for循环这几条汇编指令需要的时间和1ms比起来，可以忽略不计，所以ms级延时精度应该可以比较高的。

delay_us()

/*
 * 延时指定时间，单位us
 * @n 延时时间，单位us
 */
void delay_us(int n)
{
    int count_1us = clk_get_cpu_rate() / 1000000 / 3;   // 延时1us的循环次数
    int count_max;                                      // 延时n微秒的循环次数
    int tmp;

    // 根据延时长短微调(注意，这里是手动优化的，cpu频率改变了可能需要重新优化，此时cpu频率为252Mhz)
    if (10 >= n)                // <=10us
    {
        count_1us -= 35;
    }
    else if (100 >= n)          // <= 100us
    {
        count_1us -= 6;
    }
    else                        // > 100us
    {
        count_1us -= 1;
    }
    count_max = n * count_1us;

    // 延时
    for (tmp = count_max; tmp > 0; tmp--)
    {
        __asm__ ("nop");        // 注意，这里必须用内联汇编，否则会被优化掉            
    }

    return ;
}

和延时1ms的代码类似，都是通过控制nop指令执行次数来控制延时时间。除了相同点之外，也有两个不同点

1，将1us到1000us整个区间，分为三段，目的是尽可能的提高每段的延时精度，减小误差，如果你问我为什么要分为三段，我只能说是测试经验告诉我，如果不分段，则很难将整个区间的精度都控制好，经验所得。
2，把两层for循环改为一层for循环。按照前面delay_1ms()的思路，这里也应该用两次for循环，通用经过实际测试，发现两层for循环很难将整个区间的误差控制好，因为延时时间越低，除最里层for循环之外的代码执行时间占整个延时时间的比重越大，也就是误差越大。为了尽量减少除最里层for循环的代码，这里选择了只用一层for循环的方法。
count_1us = clk_get_cpu_rate() / 1000000 / 3 = 252000000 / 1000000 / 3 = 84，即理论上当cpu频率为252Mhz时，延时1us需要执行for循环的次数为84次。

延时n微秒需要执行的次数count_max = n * count_1us = n * 84;源码中在计算循环次数之前，会微调一下变量count_1us的值，具体微调多少是根据测试效果来判断的，所以代码中微调的值都是经验值，如果cpu频率改变了，也应该相应改变，这可能会带来移植问题，但没办法。

delay_s()

/*
 * 延时指定时间，单位s
 * @i 延时时间，单位s
 */
void delay_s(int i)
{
    for ( ; i > 0; i--)
    {
        delay_ms(1000);
    }

    return ;
}

考虑到通常需要延时1s的地方都不是需要非常高的精度，所以这里延时1s是通过延时1000ms实现的，即前面的ms级延时精度直接影响这里延时1s的精度。

感谢耐心看完，谢谢！