如何在MCU上通过ToD+PPS 获取同步时间（二）

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实现过程

根据上面介绍，我们需要这样一个时钟来记录系统时间，即记录至1970-01-01以来的ns 数：

精度为ns级别。
位数足够长，不会发生回绕，通常为64bits。
支持计数频率调整。

在硬件上，很难找到一个这样的Timer。所以首先我们需要用软件虚拟一个Timer。然后周期性的校准这个虚拟Timer。

我们需要分成两个部分来实现这个目标：

构造一个64bits的虚拟时钟。
编写一个周期性的校准程序。

构造一个64bits的虚拟时钟。

为了构造一个64bits的虚拟时钟，我们需要一个处在循环计数模式(准确的讲，应该处在输入捕获模式，因为后面介绍的校准机制需要捕获功能)的硬件时钟。

我们构造以下结构来抽象一个硬件Timers。

struct cyclecounter {u64 (*read)(const struct cyclecounter *cc);u64 mask;u32 mult;u32 shift;
};@read: 读取硬件Timer 的cycle 值的回调函数。
@mask: 硬件Timer的位数。
@mult: 硬件Timer 的cycle 值转化为ns的multiplier。
@shift: 硬件Timer 的cycle 值转化为ns的divisor 。

使用上面的硬件Timer，我们来构造一个虚拟的64Bits时钟。

struct timecounter {const struct cyclecounter *cc;u64 cycle_last;u64 nsec;u64 mask;u64 frac;
};@cc: 硬件Timer的抽象实例
@cycle_last: 上一次读取的硬件Timer 的cycle值
@nsec: 至1970-01-01以来的ns 数
@mask: 不满1ns的小数部分的累加值的bit位掩码。
@frac: 不满1ns的小数部分的累加值。

除了上面的数据结构体之外，我们还需要一些辅助的API来运行这个Timer。

void timecounter_init(struct timecounter *tc, const struct cyclecounter *cc, u64 start_tstamp)
{tc->cc = cc;tc->cycle_last = cc->read(cc);tc->nsec = start_tstamp;tc->mask = (1ULL << cc->shift) - 1;tc->frac = 0;
}u64 timecounter_read(struct timecounter *tc)
{u64 nsec;u64 cycle_now, cycle_delta;/* read cycle counter: */cycle_now = tc->cc->read(tc->cc);cycle_delta = (cycle_now - tc->cycle_last) & tc->cc->mask;nsec= (cycle_delta * tc->cc->mult) + tc->frac;tc->frac = nsec & tc->mask;nsec = nsec >> tc->cc->shift;tc->cycle_last = cycle_now;nsec += tc->nsec;tc->nsec = nsec；return nsec;
}u64 timecounter_cyc2time(struct timecounter *tc, u64 cycle_tstamp)
{u64 delta = (cycle_tstamp - tc->cycle_last) & tc->cc->mask;u64 nsec = tc->nsec, frac = tc->frac;u64 ns;if (delta > tc->cc->mask / 2) {delta = (tc->cycle_last - cycle_tstamp) & tc->cc->mask;nsec -= ((delta * tc->cc->mult) - frac) >> tc->cc->shift;} else {nsec += ((delta * tc->cc->mult) + frac) >> tc->cc->shift;}return nsec;
}void timecounter_adjtime(struct timecounter *tc, s64 delta)
{tc->nsec += delta;
}@timecounter_init: 初始化或重置虚拟Timer。
@timecounter_read：读取虚拟Timer的ns值。并且更新虚拟Timer。
@timecounter_cyc2time： 将读到的一个硬件Timer的cycle 值转换为Timer的时间。在校准程序里需要此函数计算ppm。
@timecounter_adjtime： 调整虚拟Timer的ns数。

从timecounter_read 函数可以看出，我们在硬件Timer计数的一个周期内，必须调用一次这个函数，否则造成计数错误。

假如我们硬件Timer 时钟是100MHz的32bits时钟。则一个计数周期为 10ns * pow(2,32) / pow(10,9) = 42.94967296秒，即在42.9秒内，应用软件必须调用timecounter_read 读取一次时间值。

在STM32上，仅仅有两个32Bits的timer, 在其他MCU上，大多是16bits的Timer。对于16bits的Timer，一个计数周期为 10ns * pow(2,16) / pow(10,9) = 0.00065536秒，即0.65ms。这个时间对CPU来说是太频繁了，并且容易丢失周期。

有两种方法解决这个问题，一种是减低Timer的时钟，例如使用1MHz，则计数周期变为65ms。但精度随之变低。

另一种是使用硬件Timer的overflow 中断。计数值回绕时产生中断。在中断函数里，我们可以调用timecounter_read函数来更新Timer。但在主程序在调用此函数中时，如果被overflow 中断，可能会造成更新错误。同理，timecounter_read 函数是非线程安全的。即在多任务环境中，需要加锁保护。另一种方法是通过在中断函数里递增周期数变量来扩展一个硬件Timer的位数，代码如下：

u32 timer_overflow_num = 0;
void Timer_overflow_irq()
{timer_overflow_num++;
}struct cyclecounter {u64 (*read)(const struct cyclecounter *cc);u64 (*read_from_timer)(const struct cyclecounter *cc);u64 mask;u32 last_ overflow_num；u32 mult;u32 shift;
};@last_ overflow_num: 记录上一次读时timer_overflow_num 的值。
@read_from_timer： 从硬件Timer读取cycle 的回调函数。

现在我们拦截struct timecounter 从struct cyclecounter中的读取硬件Timer cycle的 read函数，并重实现如下：

u64 timer_read_with_overflow(const struct cyclecounter *cc)
{u32 overflow_num = timer_overflow_num;u64 cycle = cc->read_from_timer(cc);u32 overflow_num_again = timer_overflow_num;if (overflow_num != overflow_num_again) {cycle = cc->read_from_timer(cc);}cycle += ((overflow_num_again - cc->last_ overflow_num) & 0xFFFFFFFF - 1) * (cc->mask + 1);cc->last_ overflow_num = overflow_num_again;return cycle;
}

通过上面扩展，我们的硬件timer位数增加了32bits。

虽然我们扩展了硬件Timer的位数，但并不是说我的一个计数周期变长了，就可以长时间的不去调用timecounter_read 函数了。两个原因：

如果两次读取的间隔很长，间隔值会在浮点转定点过程中，造成溢出从而产生错误。
晶振在随着时间，温度等环境在缓慢变化，长时间不更新的话，造成误差累积。

我们根据具体使用case，实现了虚拟Timer后，再来构造一个统一的API接口给用户程序使用：

int time_adjfine(struct timecounter *p, long scaled_ppm);
int time_adjtime(struct timecounter *p, s64 delta);
int time_gettime(struct timecounter *p, struct timeval*ts);
int time_settime(struct timecounter *p, const struct timeval*ts);@time_adjfine： 微调Timer的multiplier/shift
@time_adjtime： 增加delta ns 到struct timecounter 中的ns值。
@time_gettime： 获取struct timecounter 中的ns值。
@time_settime： 重置struct timecounter 中的ns值。

int time_gettime(struct timecounter *p, struct timeval*ts)
{u64 ns;# Lock for Multiple Threadsns = timecounter_read(p);# Unock for Multiple Threadsns_to_timeval(ns，ts);return 0;
}int time_settime(struct timecounter *p, struct timeval*ts)
{u64 ns = timeval_to_ns(ts);# Lock for Multiple Threadstimecounter_init(p, &hardware_cc, ns);# Unock for Multiple Threadsreturn 0;
}int time_adjfine(struct timecounter *p, long scaled_ppm)
{s64 clkrate;clkrate = (s64)scaled_ppm * HARDWARE_CC_MULT_NUM;clkrate = clkrate / HARDWARE_CC_MULT_DEM;# Lock for Multiple Threadstimecounter_read(p);p->mult = HARDWARE_CC_MULT + clkrate;# Unock for Multiple Threadsreturn 0;
}int time_adjtime(struct timecounter *p, s64 delta)
{# Lock for Multiple Threadstimecounter_adjtime(p, delta);# Unock for Multiple Threadsreturn 0;
}

后续。。。