rt-thread 驱动篇（八）hwtimer 重载算法优化
硬件定时器 区别于 rt-thread 内核实现的两种定时器，这种定时器依赖芯片内置的定时器外设，依靠稳定高速的晶振实现精确定时，可以实现 rt_timer 无法达到的定时精度。硬件定时器最重要的两个参数是定时器时钟和定时器重载值。
定时器时钟越高，定时器精度越高；重载值越大，实现的定时时间越长。
在定时器时钟一定的前提下，重载值就决定了定时器定时时间的准确性。
两种计算重载值算法 hwtimer.c 文件 `timeout_calc` 函数实现
float overflow; float timeout; rt_uint32_t counter; int i, index = 0; float tv_sec; float devi_min = 1; float devi; /* changed to second */ overflow = timer->maxcnt/(float)timer->freq; tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000; if (tv_sec freq)) { /* little timeout */ i = 0; timeout = 1/(float)timer->freq; } else { for (i = 1; i > 0; i ++) { timeout = tv_sec/i; if (timeout freq; devi = tv_sec - (counter/(float)timer->freq)*i; /* minimum calculation error */ if (devi > devi_min) { i = index; timeout = tv_sec/i; break; } else if (devi == 0) { break; } else if (devi cycles = i; timer->reload = i; timer->period_sec = timeout; counter = timeout*timer->freq; return counter; 第二种实现，
rt_uint32_t counter, reload; rt_uint32_t timer_cnt; int i, index = 0, n0, n1; float tv_sec; rt_uint32_t dev, dev_min; /* changed to second */ tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000.0; timer_cnt = tv_sec * timer->freq; if (timer_cnt == 0) { timer_cnt = 1; } if (timer_cnt maxcnt) { timer->cycles = timer->reload = 1; timer->period_sec = tv_sec; counter = timer_cnt; return counter; } if (timer_cnt % timer->maxcnt == 0) { timer->cycles = timer->reload = timer_cnt / timer->maxcnt; timer->period_sec = tv_sec; counter = timer_cnt; return counter; } n0 = timer_cnt / timer->maxcnt + 1; n1 = timer_cnt / 2; dev_min = n0; for (i = n0; i reload = index; timer->period_sec = index / timer->freq; counter = timer_cnt / index; return counter; 测试环境 定时器频率设定 1m。定时器最大重载值 65535。
系统：win10
ide：qt creator
最大定时范围 两种算法，最主要的差别在于前一种用 float 运算，因为 float 可以表达的值范围更大，定时时间可以更长。
而在 1m 定时器时钟前提下，用 32 位无符号整型 timer_cnt，最大可以处理时间仅有 4294.967295s。
精度 pk 这里不支持嵌入 html 表格，只好贴图了
分别选各个量级的时间，用两种算法计算，第二种算法可以把误差降低到0，但是也暴露出一些问题，在某些时间，例如 3.230970s、12.230970s、14.230970s... 误差是很小，定时器重载值也很小，这是我们不愿意看到的。
第一种算法，在计算大于 1000 的数时，误差也随之增大。比如 1000s 误差为 3.236ms；4293.0s 误差为 64.080ms。
运算速度 pk 测试方法：抽取某几个时间值，循环 1m 次运算，计量 1m 次运算总耗时时间。
time float uint32
3.317s 98.736ms 3000+s
7.537s 178.545ms 21.921ms
7.000537s 168.549ms 175.530ms
999.999s 17407.468ms 30866.978ms
999.000999s 17458.347ms 337.047ms
从抽取的几个值测试结果看，第一种算法耗时比较稳定，第二种算法对不同值的运算时间差异很大。特别的，3.317s 这个值用第二种算法，1m 次运算总耗时时间可能达到 3000s。
从上一小节的精度比对可以看出，第二种算法对精度要求太高了。下面降低第二种算法的精度，达到和第一种一样的精度再重复一次。修改代码如下
if (dev == 0) { // end index = i; break; } else if (dev > dev_min) { break; } else if (dev < dev_min) { dev_min = dev; index = i; } 再次测试结果：
time float uint32
3.317s 104.720ms 20.945ms
3.000317s 91.728ms 21.941ms
7.537s 179.519ms 21.941ms
7.000537s 168.549ms 20.944ms
999.999s 17480.734ms 27.927ms
999.000999s 17366.539ms 20.944ms
我们可以看出来，在相同精度条件下，第二种算法的运算速度比第一种快很多，而且耗时反而变得更集中。
其实，对结束条件再次修正，将 `dev == 0` 的严苛误差条件换成 `dev <= 1` 也不会出现上面 3000+s 慢速。
if (dev dev_min) { break; } else if (dev < dev_min) { dev_min = dev; index = i; } 超过 4295s 的超长定时 需要修改 `rt_uint64_t timer_cnt` 的定义为 64 位无符号整型 `rt_uint64_t timer_cnt` 。
又因为定时时间很长很长，对误差要求可以降低一些，对第二种算法做的第二处修改:
if (dev <= 500) { // end index = i; break; } else if (dev < dev_min) { dev_min = dev; index = i; } 超长时间，第二种算法的表现也很优秀。第三组数据第一种方法竟然出错了，没算出结果。
下面是 10k 次（没有进行 1w 次是因为有些时间太长了）运算时间统计
time float uint32
9999.537s 1741.341ms 5.010ms
19999.999s 3481.173ms 27.926ms
1999999.999s - 2616.001ms
返璞归真 以上是对两种算法从不同角度进行的比对测验。看似用 float 可以计算更大的定时数，但是，测试结果并不那么理想。使用 64位整型数计算，可能得到比用 float 更精确的结果。
使用 32 位无符号整型数运算虽然最大定时时间只有 4294.9s 。但是我们也看到了，第一种方法有可能出现计算误差的，当误差超过 1ms 我们用 rt_thread_mdelay 或者 rt-thread 的软/硬定时器，可能结果比硬件定时器更精确了，反而失去了精确定时器的意义。在这个前提下，使用 32 位无符号整型数已经足够了。
算法及测试源码见： https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo/tree/master/user
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rt_uint32_t counter, reload; rt_uint32_t timer_cnt; int i, index = 0, n0, n1; float tv_sec; rt_uint32_t dev, dev_min; /* changed to second */ tv_sec = tv->sec + tv->usec/(float)1000000.0; timer_cnt = tv_sec * timer->freq; if (timer_cnt == 0) { timer_cnt = 1; } if (timer_cnt maxcnt) { timer->cycles = timer->reload = 1; timer->period_sec = tv_sec; counter = timer_cnt; return counter; } if (timer_cnt % timer->maxcnt == 0) { timer->cycles = timer->reload = timer_cnt / timer->maxcnt; timer->period_sec = tv_sec; counter = timer_cnt; return counter; } n0 = timer_cnt / timer->maxcnt + 1; n1 = timer_cnt / 2; dev_min = n0; for (i = n0; i reload = index; timer->period_sec = index / timer->freq; counter = timer_cnt / index; return counter; 测试环境 定时器频率设定 1m。定时器最大重载值 65535。
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最大定时范围 两种算法，最主要的差别在于前一种用 float 运算，因为 float 可以表达的值范围更大，定时时间可以更长。
而在 1m 定时器时钟前提下，用 32 位无符号整型 timer_cnt，最大可以处理时间仅有 4294.967295s。
精度 pk 这里不支持嵌入 html 表格，只好贴图了
分别选各个量级的时间，用两种算法计算，第二种算法可以把误差降低到0，但是也暴露出一些问题，在某些时间，例如 3.230970s、12.230970s、14.230970s... 误差是很小，定时器重载值也很小，这是我们不愿意看到的。
第一种算法，在计算大于 1000 的数时，误差也随之增大。比如 1000s 误差为 3.236ms；4293.0s 误差为 64.080ms。
运算速度 pk 测试方法：抽取某几个时间值，循环 1m 次运算，计量 1m 次运算总耗时时间。
time float uint32
3.317s 98.736ms 3000+s
7.537s 178.545ms 21.921ms
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if (dev dev_min) { break; } else if (dev < dev_min) { dev_min = dev; index = i; } 超过 4295s 的超长定时 需要修改 `rt_uint64_t timer_cnt` 的定义为 64 位无符号整型 `rt_uint64_t timer_cnt` 。
又因为定时时间很长很长，对误差要求可以降低一些，对第二种算法做的第二处修改:
if (dev <= 500) { // end index = i; break; } else if (dev < dev_min) { dev_min = dev; index = i; } 超长时间，第二种算法的表现也很优秀。第三组数据第一种方法竟然出错了，没算出结果。
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time float uint32
9999.537s 1741.341ms 5.010ms
19999.999s 3481.173ms 27.926ms
1999999.999s - 2616.001ms
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使用 32 位无符号整型数运算虽然最大定时时间只有 4294.9s 。但是我们也看到了，第一种方法有可能出现计算误差的，当误差超过 1ms 我们用 rt_thread_mdelay 或者 rt-thread 的软/硬定时器，可能结果比硬件定时器更精确了，反而失去了精确定时器的意义。在这个前提下，使用 32 位无符号整型数已经足够了。
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