合理设置MCU滴答,千万不要累着它

2017年盛夏，北京街头，晴空万里，无风

Aug. 29

2018

近乎凝滞的空气中一点风都没有，恼人的知了无停无休地叫着，不疲也不厌，让人很是怀疑它们的居心。被太阳晒得发焦的柏油路面热气腾腾，像被晒干了肚皮的鱼儿一样无声地嘶嚎着。呼啸而过的汽车排着滚烫的尾气，急匆匆地想要逃离这个世界，偶尔响起的一声喇叭，就像向太阳求饶一般。地铁站和周围的建筑被晒得无精打采的，无可奈何地矗立在似火骄阳的暴晒之下。


刚从地铁站出来的人们行色匆匆，难得悠闲从容的面孔，笔者被裹挟在滚滚人流之中，不由自主地加快着脚步。站在十字路口，一股股热浪扑面而来，我顶着发烫的头皮，在心中一片哀号，“北京真热啊！”


笔者这次顶着大热天来帝都，是带着庄严而神圣的任务过来的：给一个车厂做了一款PEPS，领导让过来做总线测试。


出师不利，测试受阻整车厂进行的总线测试包括通信测试、网路管理测试和诊断协议测试三大块，通信测试主要包括工作电压、上升沿、下降沿、采样点、报文周期准确性、Bus-off后的快速恢复和慢速恢复等测试项，网络管理测试主要包括CAN节点的网络建环、掉线、Bus-off、协同休眠、本地唤醒和远程唤醒等测试项，诊断协议测试主要包括多帧收发、响应超时、诊断会话切换、诊断服务等测试项。



笔者其实是带着轻松愉快的心情过来测试的，因为做这款PEPS产品之前做了一款BCM，当时这款BCM已经量产，而且也在汽车厂进行过总线测试，对比来看，这两家车厂的测试条目差不多，笔者就把当时BCM上的代码移植到了这款PEPS上，根据不同之处进行了相应修改。按照红芯浏览器联合创始人的说法，虽然用的是开源代码，但是了解每一行代码的含义并知道怎么修改，就是自主可控，笔者盘算着，既然BCM的总线测试都通过了，而且我不仅知道怎么修改这些代码，这些代码还完全是我自己写的，所以PEPS这次测试也绝对是可控的，应该比较顺利。

等到看测试结果的时候，兴冲冲的我仿佛被浇了一头冷水，有两项测试没通过，这两项测试分别是用优先级最高和优先级最低的报文填充CAN总线带宽，让总线负载率达到100%，在全负荷的情况下检测PEPS周期发送报文的时间准确性。


我扒拉着这两项测试条目的测试数据，眼睛都快看花了，终于发现，确实有一个周期为50ms的报文出现过一次报文漏发的情况，测试软件的判断条件是检查每个报文连续两次发送的时间间隔，如果时间间隔在45-55ms（报文周期的正负10%）之间，测试通过，反之测试失败。


中断频繁，MCU不堪重负“不一样”的宫斗剧《延禧攻略》最近火得不得了，自带无敌光环的延禧宫主子魏璎珞说过，事情来了就不要怕！但是，当我发现报文周期准确性测试失败时，心中还是怕怕的，因为我本能地意识到，旅游计划肯定是泡汤了，总线负载率100%意味着CAN总线接收中断过于频繁，测试失败不是逻辑上的错误导致，而是MCU性能限制导致的系统性问题。在换不了MCU的情况下，需要做大量优化才能降低MCU的负荷，将有限的性能用在CAN报文接收中断的处理上和周期报文的发送上。



科学研究工作是严谨的，产品开发亦是如此，为了更好地量化MCU的负荷，我做了如下分析：


整车厂规定所有总线报文的数据场长度为8个字节，根据CAN报文格式，一个8字节数据场的CAN报文的位数为1（帧起始）+ 12（仲裁场）+ 6（控制场）+ 64（数据场）+ 16（CRC场）+ 2（应答场）+ 7（帧结尾）=108位。报文之间存在帧间空间INTERFRAME SPACE。帧间包括间歇场、总线空闲的位场。间歇场包括3 个“隐性”的位。总线空闲的（时间）长度是任意的。


所以，一个8字节的数据帧至少需要（108+3+1）* 位时长的时间，总线波特率为125KHz，位时长为8us，经计算得知，一条总线报文的最短时间长度为0.896ms，为了计算方便，按0.9ms计。


在这次测试中，PEPS发送报文消耗的总线带宽大约为3%，这就意味着，在总线负载率是100%的情况下，CAN报文接收中断的周期为0.9/0.97=0.93ms，即，PEPS每隔0.93ms都会触发一次CAN接收中断，执行一次中断服务程序。由于成本限制，这款PEPS选择的MCU是一款中档16位单片机，主频不过25MHz，却需要应付这么频繁的中断，心疼MCU三秒钟。。。


降低滴答中断频率肿么办？CAN报文接收中断服务程序写得非常简洁，根本不存在任何优化空间，这条测试项目制造出100%总线负载率，CAN报文接收中断频率就是那么惨无人道地频繁，也是不可更改，因此，只能从别处下手。



嵌入式系统有大量定时应用，所以无论用不用操作系统，都会有一个“系统滴答”，它以固定的时间间隔触发中断，为各种定时应用提供时间基准。这也是一个频繁发生的中断，我检查了这款PEPS上的滴答，发现其周期设定为了2ms，之所以选择2ms，主要是出于代码复用，之前我在BCM上选择的系统滴答为2ms，它会牵扯到好多定时参数的设置，为了把BCM上的一些代码直接拿到到PEPS上来用，于是也原封不动地把系统滴答设置成了2ms。

CAN接收中断周期为0.93ms，滴答中断周期为2ms，假设不存在其它任何中断，系统的综合中断周期为0.64ms，那款BCM的MCU主频为64MHz，是现在这款MCU的25MHz主频的2.56倍，64MHz 主频可以顺利处理0.64ms周期性中断，25MHz主频就卡了壳了。


顺着这条思路，笔者将系统滴答设置成了10ms，在CAN接收中断周期0.93ms，滴答中断周期为10ms的条件下，系统综合中断周期为0.85ms，将中断负荷降低了33%。系统滴答修改后好多地方需要进行相应修改，这么折腾了两天，再次进行通信测试，报文周期准确性测试通过，笔者悬着的心才放了下来，至于是不是堪堪通过，MCU负荷的余量是否其实已经非常小了，那就非笔者水平能够判断了。


降低更改的性能比较为了量化滴答由2ms提高至10ms带来的性能提升，笔者定义了一个32位全局变量，在程序的主循环体中累加，每执行一次主循环体，该变量加一，然后根据单位时间（1秒）内的主循环执行次数，判断采用不同滴答的两个程序的运行效率。

测试发现，滴答设置为2ms时，每秒执行大约22200次循环，滴答设置为10ms时，每秒执行大约25100次循环，效率大约提升了13个百分点。


至于10ms的滴答是否合理，笔者接触过的ucos和FreeRTOS中的好多移植例程中都把系统滴答设置成了10ms，足可见10ms的滴答满足大多数嵌入式系统的需求。


后记


归程依然酷暑难耐，由于没有完成既定的旅游计划，笔者心中多多少少有那么一丢丢的小遗憾，但是这次测试让我对中断、MCU性能又有了更加深刻的认识，也算是收获满满不虚此行了。



高铁窗外的景色飞速向后退去，眼前只模模糊糊地留下一片绿色的影像，旁边座位上的小姑娘正在叽叽喳喳地和妈妈嬉笑打闹，‘如果人们像爱护小孩子那样爱护MCU，通过合理的设计减轻它的工作负荷，让它不要累着，那该是多么美好的机器世界啊。’我不禁暗暗想到。

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