頻繁中斷的ISR,執(zhí)行時間需要優(yōu)化
花兒開,鳥兒叫,早起上班的路迢迢。風兒吹,陽光照,為國工作的豪情萬丈高。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201907/402884.htm那日,灑家虎虎生風地走在上班的路上,正好碰上一位父親領著女兒去上幼兒園??吹贸鰜?,小家伙兒的起床氣還沒有完全消散,耷拉著腦袋,慢騰騰地踢踏著。爸爸一邊急火火地拽著女兒的小胳膊往前趕,一邊跟她說著什么。
灑家正待從這對父女倆身邊走過時,正聽得爸爸彎著腰對女兒說:“不上幼兒園怎么上小學呀?”小丫頭片子奶聲奶氣地說不想上小學。爸爸不以為然地繼續(xù)說教著:“不上小學怎么上大學呀?”
‘恩?小學之后不該是初中嗎,還有高中吶!’我正在心里犯著嘀咕,一聲嘹亮的哭腔便劃破空氣,直沖耳膜而來?;仡^一看,小家伙正一邊甩著胳膊打爸爸的屁股,一邊咧著大大的嘴巴哭著說:“我什么學都不想上!!”
我初覺好笑,繼而感到有些悲哀??粗抢婊◣в甑臉幼?,一股惆悵在我心底潮起:你以為我愿意上班的嗎?
1
順利出差回來后第一天的上班生活悠閑而自在,可以東轉轉西逛逛,和這個同事打個閑茬,和那個同仁熱切但放松地討論技術。
但是如果出差不順利,回來第一天的上班生活就沒有那么輕松美好了。在邂逅不愿上幼兒園的女娃娃那天,我正是這樣的狀態(tài)。
這次出差的工作任務是到汽車廠進行總線測試,筆者出發(fā)時懷著脹得鼓鼓的信心,帶著游山玩水的閑情逸致,回來時揣著灰溜溜的挫敗感,和不知如何是好的沮喪。
幾個月前去測試時,明明測得好好的,這一次,居然測試失敗了!
測試報告中那幾個夾在綠色OK項目中間的NOK項,發(fā)著悠悠的紅光,帶著冷冷的笑意,讓我的寒意從頭頂直接涼到了大地。
點開這幾個NOK項的測試數(shù)據(jù),一行行標記著報文收發(fā)時間、收發(fā)方向、ID、數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)眼花繚亂地撲面而來。根據(jù)錯誤提示,筆者產(chǎn)品發(fā)送報文的周期性沒有滿足要求。我拖著鼠標從左拖到西,又從上拖到下,終于發(fā)現(xiàn),有一條以50ms為周期固定發(fā)送的報文,有那么一次,沒有及時地發(fā)出來。
各種思路向我的腦海涌來,灑家穩(wěn)了穩(wěn)心神,首先把懷疑的目光放到了CAN通信代碼的一致性上面。如果兩個版本的CAN通信代碼不一致,把代碼改回去就還有測試通過的希望??!
許是這幾個月來不小心改了CAN通信代碼中的哪個模塊或哪個函數(shù)呢?
我迫不及待地調出了幾個月前來做第一次測試時的代碼,用Beyond Compare對比工具和這次的測試代碼進行了比對。
除了這幾個月中添加的許多其它模塊的代碼,CAN通信代碼竟然是一致的。剛剛升起的一絲希望被無情地澆滅了。通信代碼一致意味著,是這幾個月來添加的不知道哪段代碼改變了這次的測試結果。
麻煩大了!這幾個月來添了那么多代碼,鬼才知道到底是哪塊影響了倒霉的CAN通信。
在汽車廠搞了一天,仍然不得要領,測試MM也開始置我的美色于不顧,露出不耐煩的神色來,于是我只好灰溜溜地回了公司。
2
據(jù)說籃球和足球比賽有主場、客場之分,在自己的主場上,在一眾球迷的吶喊助威下,在家鄉(xiāng)父老的氣氛烘托下,球隊容易比出好的成績來。
回到公司的我,雖然聽不到同事們的鼓掌聲,但是,回到自己熟悉的地盤,戰(zhàn)斗力也直線上升。
我戴上耳機,耳旁響起舒緩的輕音樂,在仿佛與世隔絕的靜謐中,我小心地觀察著那幾個測試NOK項的測試數(shù)據(jù)。
很快,這些數(shù)據(jù)的特征浮現(xiàn)在灑家的面前。
在這幾項測試中,測試軟件發(fā)送了大量優(yōu)先級或高或低的無關報文,相比之下,之前的測試中也發(fā)送了大量報文,但是都是產(chǎn)品用得到的報文。
不同之處找到了,問題的原因自然也就很容易找到了。為了幫助讀者理解,筆者先簡單介紹一下CAN報文接收的處理程序:
①總線上接收到報文時,MCU被觸發(fā)報文接收中斷。
②進入ISR程序后,MCU會拿接收到的報文ID和產(chǎn)品規(guī)范所定義的需要解析的ID依次進行比較。
③經(jīng)過若干次比較后,如果接收報文ID和需要解析的ID一致,把報文存入接收緩沖區(qū),發(fā)送“接收到新報文”信號。如果不一致,表明接收到的是無關報文,MCU直接丟棄報文。
在灑家這個產(chǎn)品中,需要解析大約20條報文。為了簡單,筆者按照ID從小到大的順序進行比較。顯然,無關報文需要進行20次比較,最終被MCU丟棄掉,相關報文進行比較的平均次數(shù)則為10次。實際上,測試軟件給出的那幾個OK項測試中,最多的比較次數(shù)也沒有超過10次。
寫到這里,問題的原因呼之欲出了!在大量高頻次報文的沖擊下,MCU一直忙于進行ID的比較匹配。無關報文的沖擊力量尤甚,因為MCU進入報文接收ISR后,每次都要進行多達20次比較!!
深諳摩爾定律的看官也許笑了,現(xiàn)在MCU性能這么高,20次比較算逑?!
3
筆者喜歡拿數(shù)據(jù)說話,這回咱就用初中數(shù)學知識掰扯掰扯。
CAN報文的數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成:幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結尾。
其中,幀起始標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始,由一個單獨的“顯性”位組成。仲裁場包括識別符和遠程發(fā)送請求位(RTR)。識別符的長度為11位??刂茍鲇?個位組成,包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個將來作為擴展用的保留位。數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0~8 個字節(jié)。CRC場包括CRC序列(CRC SEQUENCE),其后是CRC界定符(CRC DELIMITER)。CRC序列為15位,CRC界定符包含一個單獨的“隱性”位 。應答場長度為2個位,包含應答間隙(ACK SLOT)和應答界定符(ACK DELIMITER)。幀結尾由一標志序列界定。這個標志序列由7 個“隱性”位組成。
所以一個8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀的位數(shù)為1(幀起始)+ 12(仲裁場)+ 6(控制場)+ 64(數(shù)據(jù)場)+ 16(CRC場)+ 2(應答場)+ 7(幀結尾)= 108位。
報文之間存在幀間空間INTERFRAME SPACE。幀間包括間歇場、總線空閑的位場。間歇場包括3 個“隱性”的位。
所以,一個8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀至少需要(108+3+1)* bitrate的時長,對于125kbps,需要0.896ms。對于500kbps,需要0.224ms。
不巧的是,筆者的產(chǎn)品需要面臨的就是500kbps通訊速率的總線通信。
那么問題來了,0.224ms來一次中斷,每次中斷執(zhí)行20次數(shù)據(jù)比較,你說MCU累不累?
累,MCU累得都快冒煙了!
劍客的最高境界是人劍合一,人就是劍,劍就是人。灑家遠沒有到碼農(nóng)的最高境界,但也高山仰止,知道要善待MCU,才能最終達到人機合一。
看著累得偶爾愣了神忘了發(fā)送報文的MCU,筆者在心疼又無奈的淚眼朦朧中苦苦思索著,怎么給MCU減減負呢?
4
這里要做的工作一言以蔽之,就是針對頻繁中斷的ISR,優(yōu)化它的執(zhí)行時間,卸掉MCU的負擔。
看著那20個需要進行比較的報文ID,灑家眉頭一皺,計上心來。
CAN報文ID是11位,頭三位的取值為0-7,相當于將CAN報文ID的取值區(qū)間劃分成了八段,分別是0-0xff、0x100-0x1ff、0x200-0x2ff。。。0x700-0x7ff。
如果將CAN報文ID右移八位,得到頭三位取值,就可以知道這個報文ID處于這八段取值區(qū)間的哪一段,然后再到這個段內進行比較,比較次數(shù)不就下降很多了嗎?
比如說,產(chǎn)品需要解析的0x700-0x7ff段的ID有0x701、0x7df兩個報文,接收到一個0x745的無關報文時,之前的比較次數(shù)是20次,現(xiàn)在是執(zhí)行一次8位移位,然后進行2次比較。
只需要執(zhí)行一次移位運算,比較次數(shù)從20次陡然下降到了2次?。?/p>
我被這種效率的提升幅度驚呆了。只是一個非常簡單的方法,就得到了這么好的效果!
帶著修改后的代碼,懷著一絲忐忑九分坦蕩,灑家又直奔汽車廠測試去了。
測試通過后,測試MM向我投來贊許的目光,我回之以笑意,心中實則感慨萬千。
時間是世界上最為倔強的東西,它一往無前,絕不回頭。但是魯迅先生說:時間就像海綿里的水,擠一擠總會有的。
MCU的能力也是如此,只要你懷著一顆精益求精的心,好好地設計代碼,比如對于頻繁中斷的ISR,執(zhí)行時間仔細優(yōu)化,就能很好地駕馭它,發(fā)揮它的潛力。
套用魯迅先生的話,就是:
MCU的性能就是海綿里的水,擠一擠總會有的!
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