Роб Кёртен - Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform
Глава 3
Часы, таймеры и периодические уведомления
Часы и таймеры
Пришло время рассмотреть все, что относится ко времени в QNX/Neutrino. Мы увидим, как и почему мы должны использовать таймеры, а также рассмотрим теоретические положения, которые этому сопутствуют. Далее мы обсудим способы опроса и настройки часов реального времени.
Давайте рассмотрим типовую техническую систему — скажем, автомобиль. В этом автомобиле у нас есть ряд программ, большинство из которых выполняются с различными приоритетами. Некоторые из этих программ необходимы для обеспечения реакции на внешние события (например, тормоза или радиоприемник), другие же должны срабатывать периодически (например, система диагностики).
Периодические процессы
Так как же обеспечивается «периодическая» работа системы диагностики? Можно вообразить себе некоторый процесс, выполняемый процессором нашего автомобиля и делающий нечто подобное следующему:
// Процесс диагностики
int main(void) // Игнорируем аргументы
{
for (;;) {
perform_diagnostics();
sleep(15);
}
// Сюда мы не дойдем
return (EXIT_SUCCESS);
}
Видно, что процесс диагностики выполняется бесконечно. Он запускает цикл работ по диагностике, затем «засыпает» на 15 секунд, потом «просыпается», и все повторяется заново.
Если оглянуться назад в мрачные и смутные однозадачные времена, когда один процессор обслуживал одного пользователя программы такого сорта реализовывались путем выполнения функцией sleep() активного ожидания. Для этого вам было необходимо узнать быстродействие вашего процессора и написать свою собственную функцию sleep(), например:
void sleep(int nseconds) {
long i;
while (nseconds--) {
for (i = 0; i < CALIBRATED_VALUE; i++);
}
}
В те дни, поскольку в машине не выполнялось никаких других задач, такие программы не составляли большой проблемы, поскольку никакой другой процесс не беспокоило, что вы используете своей функцией sleep() все 100% ресурсов процессора.
Даже в наши дни мы иногда отдаем все 100% ресурсов процессора, чтобы отмерить время. В частности, функция nanospin() применяется для отсчета времени с очень большой точностью, но делает это за счет монопольного захвата процессора на своем приоритете. Пользуйтесь с осторожностью!
Если вы должны были реализовать некоторое подобие «многозадачного режима», то это обычно делалось путем применения процедуры прерывания, которая либо срабатывала от аппаратного таймера, либо выполнялась в пределах периода «активного ожидания», оказывая при этом некоторое воздействие на калибровку отсчета времени. Это обычно не вызывало беспокойства.
К счастью, в решении этих проблем мы уже ушли далеко вперед. Вспомните параграф «Диспетчеризация и реальный мир» (глава «Процессы и потоки»), там описываются причины, по которым ядро выполняет перепланирование потоков. Причины могут быть следующие:
• аппаратное прерывание;
• системный вызов;
• сбой (исключение).
В данной главе мы подробно проанализируем две первые причины из вышеуказанного списка — аппаратные прерывания и системные вызовы.
Когда поток вызывает функцию sleep(), код, содержащийся в Си-библиотеке, в конечном счете делает системный вызов. Этот вызов приказывает ядру отложить выполнение данного потока на заданный интервал времени. Ядро удаляет поток из рабочей очереди и включает таймер.
Все это время ядро принимает регулярно поступающие аппаратные прерывания таймера. Положим для определенности, что эти аппаратные прерывания происходят ровно каждые 10 миллисекунд.
Давайте немного переформулируем это утверждение: каждый раз, когда такое прерывание обслуживается соответствующей подпрограммой обработки прерывания (ISR) ядра, это значит, что истек очередной 10-миллисекундный интервал. Ядро отслеживает время суток путем увеличения специальной внутренней переменной на значение, соответствующее 10 миллисекундам, с каждым вызовом обработчика прерывания.
Так что, реализуя 15-секундный таймер, ядро в действительности выполняет следующее:
• Устанавливает переменную в текущее время плюс 15 секунд.
• В обработчике прерываний сравнивает эту переменную с текущим временем.
• Когда текущее время станет равным (или больше) данной переменной, поток снова ставится в очередь готовности.
При использовании множества параллельно работающих таймеров — например, когда необходимо активизировать несколько потоков в различные моменты времени — ядро просто ставит запросы в очередь, отсортировав таймеры по возрастанию их времени истечения (в голове очереди при этом окажется таймер с минимальным временем истечения). Обработчик прерывания будет анализировать только переменную, расположенную в голове очереди.
Источники прерываний таймера
На этом мы, пожалуй, закончим наш краткий экскурс по стране таймеров и перейдем к вещам, которые уже не так очевидны.
Откуда возникают прерывания таймера? На рисунке ниже приведены аппаратные компоненты (и некоторые характерные для PC значения параметров), отвечающие за генерацию этих прерываний.
Источники прерываний таймера в PC.
Из рисунка видно, что в PC используется высокочастотный аппаратный генератор синхроимпульсов (МГц-диапазона). Высокочастотный меандр делится при помощи аппаратного счетчика (на рисунке — микросхема Intel 82C54), который понижает частоту импульсов до сотен килогерц или сотен герц (диапазон, в котором их уже может обработать ISR). ISR таймера входит в состав ядра и взаимодействует непосредственно с его кодом и внутренними структурами данных. В процессорах архитектуры не-x86 (MIPS, PowerPC) тоже происходит подобная последовательность событий; в некоторых микросхемах аппаратный таймер может быть непосредственно встроен в процессор.
Отметим, что импульсы высокой частоты делятся на целочисленный делитель. Это означает, что результирующий период импульсов не будет точно равен 10 миллисекундам, потому что исходный период 10 миллисекундам не кратен. Поэтому ISR ядра из вышеприведенного примера будет реально вызываться по истечении каждых 9.9999296004 миллисекунд.
Большое дело, скажете вы, ну и что? Ну ладно, для нашего 15-секундного счетчика это годится. 15 секунд — это 1500 отсчетов таймера; расчеты показывают, что погрешность будет в районе 106 микросекунд:
15 с – 1500 * 9.9999296004 мс =
= 15000 мс – 14999.8944006 мс =
= 0.1055994 мс =
= 105.5994 мкс
К сожалению, продолжая наши математические выкладки, приходим к выводу, что при таких раскладах погрешность составляет 608 миллисекунд в день, что равняется приблизительно 18.5 секунд в месяц, или почти 3.7 минут в год!
Можно предположить, что при использовании делителей другого типа ошибка может быть либо меньше, либо больше, в зависимости от погрешности округления. К счастью, ядро это знает и вводит соответствующие поправки.
Ключевой момент всей этой истории состоит в том, что независимо от красивого округленного значения, реальное значение выбирается в сторону ускорения отсчета.
Разрешающая способность отсчета времени
Пусть отсчеты времени таймера генерируются чуть чаще, чем раз в 10 миллисекунд. Смогу ли я надежно обеспечить ожидание длительностью в 3 миллисекунды?
Не-а.
Подумайте, что происходит в ядре. Мы вызываем стандартную библиотечную функцию delay() для задержки на 3 миллисекунды. Ядро должно присвоить внутренней переменной ISR какое-то значение. Если оно присвоит ей значение текущего времени, то это будет означать, что таймер уже истек, и надо активизироваться немедленно. Если оно присвоит ей значение на один отсчет больше текущего времени, это будет означать, что надо активизироваться на следующем отсчете (т.е. с задержкой вплоть до 10 миллисекунд).
Достижение более высокой точностиМораль: не следует рассчитывать на то, что разрешающая способность ваших таймеров будет лучше, чем у системного отсчета.
В QNX/Neutrino у приложений есть возможность программной подстройки аппаратного делителя и ядра вместе с ним (чтобы ядро знало, с какой частотой вызывается ISR таймера). Мы поговорим об этом далее в разделе «Опрос и установка часов реального времени».
Флуктуации отсчета времени
Существует еще одно явление, которое вы должны принимать во внимание. Предположим, что разрешающая способность у вас равна 10 миллисекундам, а вы желаете сформировать задержку длительностью в 20 миллисекунд.
