Cortex-M系統(tǒng)中斷延遲及其測量方法

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是Cortex-M系統(tǒng)中斷延遲及其測量方法。

在嵌入式領(lǐng)域里，實(shí)時性是個經(jīng)常被我們掛在嘴邊的概念，這里的實(shí)時性主要強(qiáng)調(diào)得是當(dāng)外界事件發(fā)生時，系統(tǒng)是否能在規(guī)定的時間范圍內(nèi)予以響應(yīng)處理，這個時間閾值越小，系統(tǒng)的實(shí)時性就越高。當(dāng)然關(guān)于這個實(shí)時性，也有軟硬之分，硬實(shí)時要求的是設(shè)定的時間閾值內(nèi)必須完成響應(yīng)，而軟實(shí)時則僅需根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級盡可能快地完成響應(yīng)即可。

無論是 RTOS 環(huán)境還是裸機(jī)環(huán)境下，系統(tǒng)最原始的實(shí)時性保障其實(shí)來自于 MCU 內(nèi)核的中斷響應(yīng)能力，關(guān)于中斷響應(yīng)能力有一個重要指標(biāo)叫中斷延遲時間，今天我們就來聊一聊 Cortex-M 內(nèi)核的中斷延遲及其測量方法：

所謂中斷延遲，即從中斷請求 IRQ 信號置起開始到內(nèi)核進(jìn)入執(zhí)行該中斷 ISR 第一條指令時的間隔，如下圖所示， 箭頭范圍內(nèi)的 11 個周期就是中斷延遲時間。關(guān)于這個概念，ARM 公司專家 Joseph Yiu 的一篇博客 《Cortex-M內(nèi)核系統(tǒng)中斷延遲入門指南》 介紹得很詳細(xì)。

為什么會有中斷延遲？其實(shí)這是無法避免的，當(dāng)內(nèi)核在執(zhí)行 main thread 代碼時，來了中斷事件，NVIC 里對應(yīng) IRQ 信號被置起，內(nèi)核接到 NVIC 通知后壓棧保存現(xiàn)場（以便中斷 ISR 處理完成時回到被打斷的 main thread 地方），然后再從中斷向量表里取出對應(yīng)中斷 ISR 來執(zhí)行，這一系列動作是需要時間的。

Cortex-M 家族發(fā)展至今，已有 M0/M0+/M1/M3/M4/M7/M23/M33/M35P/M55 等多款內(nèi)核，這些內(nèi)核的中斷延遲時間不一，如下表所示。注意表中的數(shù)值單位是內(nèi)核的時鐘周期，并且是在零等待內(nèi)存系統(tǒng)條件下結(jié)果（即代碼鏈接在零等待內(nèi)存里）。

• Note1: 一般來說 MCU 內(nèi)部與內(nèi)核同頻的 SRAM 是標(biāo)準(zhǔn)的零等待內(nèi)存。
• Note2: 許多運(yùn)行頻率超過 100MHz 的微控制器會搭配非常慢的 Flash 存儲器（例如 30 - 50MHz），雖然可以使用 Flash 訪問加速硬件來提高性能，但中斷延遲仍然受到 Flash 存儲系統(tǒng)等待狀態(tài)的影響。

測量 Cortex-M 的中斷延遲方法有很多，任何一個帶中斷的 MCU 外設(shè)模塊都可以用來測中斷延遲，Cortex-M 中斷延遲時間跟觸發(fā)中斷的具體外設(shè)模塊類型基本上是無關(guān)的（最多受一點(diǎn)該外設(shè)中斷信號同步周期的影響）。

利用 GPIO 模塊來測量 Cortex-M 的中斷延遲是最簡單的方法，選擇兩個 GPIO，一個配置為輸入（GPIO_IN），另一個配置為上拉輸出（GPIO_OUT，初態(tài)設(shè)為高），開啟 GPIO_IN 的邊沿中斷（比如下降沿），在 GPIO_IN 邊沿中斷 ISR 里翻轉(zhuǎn)兩次 GPIO_OUT，然后用示波器測量兩個 GPIO 信號邊沿間隔得出中斷延遲時間。

uint32_t s_pin_low  = 0x0;
uint32_t s_pin_high = 0x1;

void GPIO_IN_IRQHandler(void)
{
    GPIO_OUT->DR = s_pin_low;
    GPIO_OUT->DR = s_pin_high;

    ClearInterruptFlag(GPIO_IN);
    __DSB();
}

需要注意的是在如上 GPIO_IN_IRQHandler 函數(shù)偽代碼里，我們對 GPIO_OUT 做了兩次翻轉(zhuǎn)，這是有必要的。我們隨便選擇一個 CM7 芯片去實(shí)際編譯（IAR環(huán)境下，無優(yōu)化）可以看到如下匯編代碼，每一次翻轉(zhuǎn)實(shí)際上由四條指令組成，我們作為計(jì)時基準(zhǔn)的 GPIO_OUT 第一個邊沿其實(shí)是 ISR 里執(zhí)行了第一句翻轉(zhuǎn)代碼后的時刻，而中斷延遲是不包含第一句翻轉(zhuǎn)代碼執(zhí)行時間的。因?yàn)橹噶盍魉€優(yōu)化等復(fù)雜情況，我們就不從理論上計(jì)算四條指令實(shí)際消耗時鐘周期數(shù)，直接再翻轉(zhuǎn)一次 GPIO_OUT，測量 GPIO_OUT 低電平時間即認(rèn)為是這四條指令執(zhí)行時間。

因此最終中斷延遲時間 td = t1 - t2，其中 t1、t2 是我們可以測量出來的時間。此外，td 時間內(nèi)包含了 tx，這個 tx 是 I/O 跳變信號到芯片內(nèi)部 IRQ 置起的時間，這個時間是芯片系統(tǒng)所需的同步時間，因芯片設(shè)計(jì)而異，本應(yīng)不被計(jì)算在系統(tǒng)中斷延遲內(nèi)，但因?yàn)檫@個時間無法測量，故而就放在中斷延遲里了，也算是一點(diǎn)小小誤差吧。

下一篇我們將在實(shí)際 Cortex-M 芯片上用這種方法去實(shí)測中斷延遲，敬請期待。

至此，Cortex-M系統(tǒng)中斷延遲及其測量方法痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~