頻繁中斷的ISR，執(zhí)行時(shí)間需要優(yōu)化

花兒開，鳥兒叫，早起上班的路迢迢。風(fēng)兒吹，陽光照，為國工作的豪情萬丈高。

那日，灑家虎虎生風(fēng)地走在上班的路上，正好碰上一位父親領(lǐng)著女兒去上幼兒園。看得出來，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(duì)父女倆身邊走過時(shí)，正聽得爸爸彎著腰對(duì)女兒說：“不上幼兒園怎么上小學(xué)呀？”小丫頭片子奶聲奶氣地說不想上小學(xué)。爸爸不以為然地繼續(xù)說教著：“不上小學(xué)怎么上大學(xué)呀？”

‘恩？小學(xué)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(xué)都不想上??！”

我初覺好笑，繼而感到有些悲哀。看著她那梨花帶雨的樣子，一股惆悵在我心底潮起：你以為我愿意上班的嗎？

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順利出差回來后第一天的上班生活悠閑而自在，可以東轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)西逛逛，和這個(gè)同事打個(gè)閑茬，和那個(gè)同仁熱切但放松地討論技術(shù)。

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(wù)是到汽車廠進(jìn)行總線測(cè)試，筆者出發(fā)時(shí)懷著脹得鼓鼓的信心，帶著游山玩水的閑情逸致，回來時(shí)揣著灰溜溜的挫敗感，和不知如何是好的沮喪。

幾個(gè)月前去測(cè)試時(shí)，明明測(cè)得好好的，這一次，居然測(cè)試失敗了！

測(cè)試報(bào)告中那幾個(gè)夾在綠色OK項(xiàng)目中間的NOK項(xiàng)，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(diǎn)開這幾個(gè)NOK項(xiàng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，一行行標(biāo)記著報(bào)文收發(fā)時(shí)間、收發(fā)方向、ID、數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)眼花繚亂地?fù)涿娑鴣?。根?jù)錯(cuò)誤提示，筆者產(chǎn)品發(fā)送報(bào)文的周期性沒有滿足要求。我拖著鼠標(biāo)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(bào)文，有那么一次，沒有及時(shí)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(gè)版本的CAN通信代碼不一致，把代碼改回去就還有測(cè)試通過的希望??！

許是這幾個(gè)月來不小心改了CAN通信代碼中的哪個(gè)模塊或哪個(gè)函數(shù)呢？

我迫不及待地調(diào)出了幾個(gè)月前來做第一次測(cè)試時(shí)的代碼，用Beyond Compare對(duì)比工具和這次的測(cè)試代碼進(jìn)行了比對(duì)。

除了這幾個(gè)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(gè)月來添加的不知道哪段代碼改變了這次的測(cè)試結(jié)果。

麻煩大了！這幾個(gè)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(lǐng)，測(cè)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。

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據(jù)說籃球和足球比賽有主場(chǎng)、客場(chǎng)之分，在自己的主場(chǎng)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(duì)容易比出好的成績(jī)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(jī)，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(gè)測(cè)試NOK項(xiàng)的測(cè)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(xiàng)測(cè)試中，測(cè)試軟件發(fā)送了大量?jī)?yōu)先級(jí)或高或低的無關(guān)報(bào)文，相比之下，之前的測(cè)試中也發(fā)送了大量報(bào)文，但是都是產(chǎn)品用得到的報(bào)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(jiǎn)單介紹一下CAN報(bào)文接收的處理程序：

①總線上接收到報(bào)文時(shí)，MCU被觸發(fā)報(bào)文接收中斷。

②進(jìn)入ISR程序后，MCU會(huì)拿接收到的報(bào)文ID和產(chǎn)品規(guī)范所定義的需要解析的ID依次進(jìn)行比較。

③經(jīng)過若干次比較后，如果接收?qǐng)?bào)文ID和需要解析的ID一致，把報(bào)文存入接收緩沖區(qū)，發(fā)送“接收到新報(bào)文”信號(hào)。如果不一致，表明接收到的是無關(guān)報(bào)文，MCU直接丟棄報(bào)文。

在灑家這個(gè)產(chǎn)品中，需要解析大約20條報(bào)文。為了簡(jiǎn)單，筆者按照ID從小到大的順序進(jìn)行比較。顯然，無關(guān)報(bào)文需要進(jìn)行20次比較，最終被MCU丟棄掉，相關(guān)報(bào)文進(jìn)行比較的平均次數(shù)則為10次。實(shí)際上，測(cè)試軟件給出的那幾個(gè)OK項(xiàng)測(cè)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(bào)文的沖擊下，MCU一直忙于進(jìn)行ID的比較匹配。無關(guān)報(bào)文的沖擊力量尤甚，因?yàn)镸CU進(jìn)入報(bào)文接收ISR后，每次都要進(jìn)行多達(dá)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(xué)知識(shí)掰扯掰扯。

CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)尾。

其中，幀起始標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，由一個(gè)單獨(dú)的“顯性”位組成。仲裁場(chǎng)包括識(shí)別符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）。識(shí)別符的長(zhǎng)度為11位。控制場(chǎng)由6個(gè)位組成，包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼和兩個(gè)將來作為擴(kuò)展用的保留位。數(shù)據(jù)場(chǎng)由數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0～8 個(gè)字節(jié)。CRC場(chǎng)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(gè)單獨(dú)的“隱性”位 。應(yīng)答場(chǎng)長(zhǎng)度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙（ACK SLOT）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。幀結(jié)尾由一標(biāo)志序列界定。這個(gè)標(biāo)志序列由7 個(gè)“隱性”位組成。

所以一個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀的位數(shù)為1（幀起始）+ 12（仲裁場(chǎng)）+ 6（控制場(chǎng)）+ 64（數(shù)據(jù)場(chǎng)）+ 16（CRC場(chǎng)）+ 2（應(yīng)答場(chǎng)）+ 7（幀結(jié)尾）= 108位。

報(bào)文之間存在幀間空間INTERFRAME SPACE。幀間包括間歇場(chǎng)、總線空閑的位場(chǎng)。間歇場(chǎng)包括3 個(gè)“隱性”的位。

所以，一個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀至少需要（108+3+1）* bitrate的時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于125kbps，需要0.896ms。對(duì)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(yuǎn)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(dá)到人機(jī)合一。

看著累得偶爾愣了神忘了發(fā)送報(bào)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(fù)呢？

4

這里要做的工作一言以蔽之，就是針對(duì)頻繁中斷的ISR，優(yōu)化它的執(zhí)行時(shí)間，卸掉MCU的負(fù)擔(dān)。

看著那20個(gè)需要進(jìn)行比較的報(bào)文ID，灑家眉頭一皺，計(jì)上心來。

CAN報(bào)文ID是11位，頭三位的取值為0-7，相當(dāng)于將CAN報(bào)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(bào)文ID右移八位，得到頭三位取值，就可以知道這個(gè)報(bào)文ID處于這八段取值區(qū)間的哪一段，然后再到這個(gè)段內(nèi)進(jìn)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(gè)報(bào)文，接收到一個(gè)0x745的無關(guān)報(bào)文時(shí)，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(jìn)行2次比較。

只需要執(zhí)行一次移位運(yùn)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(gè)非常簡(jiǎn)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(cè)試去了。

測(cè)試通過后，測(cè)試MM向我投來贊許的目光，我回之以笑意，心中實(shí)則感慨萬千。

時(shí)間是世界上最為倔強(qiáng)的東西，它一往無前，絕不回頭。但是魯迅先生說：時(shí)間就像海綿里的水，擠一擠總會(huì)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(shè)計(jì)代碼，比如對(duì)于頻繁中斷的ISR，執(zhí)行時(shí)間仔細(xì)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(huì)有的！