痞子衡嵌入式：利用GPIO模組來測量i.MXRT1xxx的系統中斷延遲時間

痞子衡發表於2021-12-03

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT1xxx的系統中斷延遲時間。

　　在 《Cortex-M系統中斷延遲及其測量方法簡介》 一文裡，痞子衡介紹了 Cortex-M 中斷延遲的基本概念及一種用 GPIO 模組來測量中斷延遲時間的方法，今天我們就在 i.MXRT1xxx 系列晶片上用這種方法實測一下中斷延遲：

一、官方指標

　　恩智浦 i.MXRT1xxx 系列目前有很多型號，都是基於 Cortex-M7 核心，主頻從 500MHz 到 1GHz 不等。拿該系列第一款型號 i.MXRT1050 來說，在其官方主頁可以看到其標稱中斷延遲時間低至 20ns。

　　在 《Cortex-M系統中斷延遲》 一文第一小節裡我們知道 Cortex-M7 的標準中斷延遲是 12 - 14 個核心時鐘週期，i.MXRT1050 主頻是 600MHz ，理論計算可得 (1s / 600MHz) * 12 = 20ns，所以 i.MXRT1050 上這 20ns 的中斷延遲是符合 ARM 標準的。

二、測試程式碼

　　現在我們在晶片上實測一下，痞子衡把 i.MXRT1011/1021/1052/1062/1176 這五個型號均測了一遍，測試程式碼可以基於其各自 SDK 包。

　　以 i.MXRT1052 為例，選用 \SDK_2.10.0_EVKB-IMXRT1050\boards\evkbimxrt1050\driver_examples\gpio\input_interrupt 例程為模板（注意選擇 debug build，即程式碼連結在 TCM 裡，滿足零等待記憶體的測試需求），按 《Cortex-M系統中斷延遲》 一文第二小節設計思想修改主函式如下（關於 GPIO 中斷使用可以參考 《以i.MXRT1xxx的GPIO模組為例談談中斷處理函式(IRQHandler)的標準流程》 一文）：

  • Note1: 為了結果的準確性，痞子衡同時測試了多個不同型別的 GPIO 中斷，因為部分 i.MXRT 型號中包含普通 GPIO 和 HSGPIO，並且有些 GPIO 事件既可以觸發 Combined 型中斷，也可以觸發獨立的中斷。
  • Note2: 輸出訊號用的 GPIO 型別對於本次測試不重要，無論選擇普通 GPIO 還是 HSGPIO 去翻轉，其翻轉時長不影響最終測試結果。
uint32_t s_pin_low  = 0x000000;
uint32_t s_pin_high = 0x800000;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// User Button SW8 - Pin4 in RT1050-EVKB
void GPIO5_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    GPIO2->DR = s_pin_low;
    GPIO2->DR = s_pin_high;
    GPIO_PortClearInterruptFlags(GPIO5, 1U << 0);
    __DSB();
}

void init_gpio5_0(void)
{
    gpio_pin_config_t din_config = {kGPIO_DigitalInput, 0, kGPIO_IntFallingEdge};       
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_SNVS_WAKEUP_GPIO5_IO00, 0U); 
    GPIO_PinInit(GPIO5, 0, &din_config);
    NVIC_EnableIRQ(GPIO5_Combined_0_15_IRQn);
    GPIO_PortEnableInterrupts(GPIO5, 1U << 0);    
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Arduino Interface, J24-2 in RT1050-EVKB
void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    GPIO2->DR = s_pin_low;
    GPIO2->DR = s_pin_high;
    GPIO_PortClearInterruptFlags(GPIO1, 1U << 2);
    __DSB();
}

void GPIO1_INT2_IRQHandler(void)
{
    GPIO2->DR = s_pin_low;
    GPIO2->DR = s_pin_high;
    GPIO_PortClearInterruptFlags(GPIO1, 1U << 2);
    __DSB();
}

void init_gpio1_2(void)
{
    gpio_pin_config_t din_config = {kGPIO_DigitalInput, 0, kGPIO_IntFallingEdge};
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B0_02_GPIO1_IO02, 0U); 
    GPIO_PinInit(GPIO1, 2, &din_config);
    NVIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_0_15_IRQn);
    //NVIC_EnableIRQ(GPIO1_INT2_IRQn);
    GPIO_PortEnableInterrupts(GPIO1, 1U << 2);    
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// TP26
void init_gpio2_23(void)
{
    gpio_pin_config_t dout_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_B1_07_GPIO2_IO23, 0U); 
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_B1_07_GPIO2_IO23, 0x70F9U); 
    GPIO_PinInit(GPIO2, 23, &dout_config);
    GPIO2->DR |= 0x800000;
}

int main(void)
{
    BOARD_ConfigMPU();
    BOARD_InitBootClocks();
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);           
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_IomuxcSnvs);     
    
    init_gpio5_0();
    init_gpio1_2();
    init_gpio2_23();

    while (1);
}

三、測試結果

　　現在我們來看 5 個 i.MXRT 型號的詳細測試結果，根據測試結果，我們得出如下結論：

  • 結論1： 不同型別 GPIO（普通GPIO/HSGPIO）或者不同型別的 GPIO 中斷（Combined 型/獨立型），其中斷延遲結果幾乎是一樣的（但是 i.MXRT1170 除外）。
  • 結論2： i.MXRT1020/1050 上測出的 GPIO 中斷延遲接近 ARM 標準值，但是 i.MXRT1010/1060/1170 上測出的 GPIO 中斷延遲大於 ARM 標準值（猜測是 GPIO 模組設計導致的延遲較大，並不是核心本身延遲大）。
  • 結論3： 本次方法測出的 GPIO 中斷延遲不是一個固定值，存在約 3 個核心時鐘週期的波動（多次測量觀測到），原因可能是 PAD 訊號跳變與 NVIC IRQ 訊號置起的同步時機差異。

3.1 實測i.MXRT1011

系統時鐘配置 PAD GPIO IRQ t1 t2 td 中斷延遲時鐘數
Core: 500MHz
IPG: 125MHz		 GPIO_01 GPIO1[1] GPIO1_Combined_0_15_IRQn 74 - 78ns 33ns 41 - 45ns 20 - 23 cycles
GPIO2[1] GPIO2_Combined_0_15_IRQn
GPIO_SD_05 GPIO2[5]

3.2 實測i.MXRT102x

系統時鐘配置 PAD GPIO IRQ t1 t2 td 中斷延遲時鐘數
Core: 500MHz
IPG: 125MHz		 GPIO_AD_B0_06 GPIO1[6] GPIO1_Combined_0_15_IRQn 92 - 96ns 64ns 28 - 32ns 14 - 16 cycles
GPIO1_INT6_IRQn
SNVS_WAKEUP GPIO5[0] GPIO5_Combined_0_15_IRQn

3.3 實測i.MXRT105x

系統時鐘配置 PAD GPIO IRQ t1 t2 td 中斷延遲時鐘數
Core: 600MHz
IPG: 150MHz		 GPIO_AD_B0_02 GPIO1[2] GPIO1_Combined_0_15_IRQn 78 - 82ns 54ns 24 - 28ns 14 - 17 cycles
GPIO1_INT2_IRQn
SNVS_WAKEUP GPIO5[0] GPIO5_Combined_0_15_IRQn

3.4 實測i.MXRT106x

系統時鐘配置 PAD GPIO IRQ t1 t2 td 中斷延遲時鐘數
Core: 600MHz
IPG: 150MHz		 GPIO_AD_B0_02 GPIO1[2] GPIO1_Combined_0_15_IRQn 62 - 66ns 27ns 35 - 39ns 21 - 24 cycles
GPIO1_INT2_IRQn
GPIO6[2] GPIO6_7_8_9_IRQn
SNVS_WAKEUP GPIO5[0] GPIO5_Combined_0_15_IRQn

3.5 實測i.MXRT117x

系統時鐘配置 PAD GPIO IRQ t1 t2 td 中斷延遲時鐘數
Core: 996MHz
BUS: 240MHz		 GPIO_AD_01 GPIO2[31] GPIO2_Combined_16_31_IRQn 52 - 54ns 29ns 23 - 25ns 23 - 25 cycles
CM7_GPIO2[31] CM7_GPIO2_3_IRQn
WAKEUP_DIG GPIO13[0] GPIO13_Combined_0_31_IRQn 47 - 50ns 18 - 21ns 18 - 21 cycles

　　至此，i.MXRT1xxx的系統中斷延遲時間痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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