一个RTC 读秒不均匀的话题

问题描述：

该问题由某客户提出，发生在STM32F103RBT6 器件上。据工程师讲述：其产品为车载GPS导航监控设备，其中使用了STM32 作为主控器件，负责管理整个设备。在该产品的设计中，使用了STM32的RTC，并将其计时显示在产品的屏幕上。计时显示的更新是由RTC 的秒中断来完成的，即由RTC的秒中断服务程序从RTC 中读出新的时间并更新到相关的变量中，再触发屏幕刷新程序更新屏幕上的显示。

在测试时发现屏幕上显示时间的秒部分走时不均匀，时快时慢，甚至会丢掉某个中间值而发生跳变。对该显示时间做长时间计时的测量，发现其长时间计时是准确的，即秒长度的平均值是准确的。将程序中的其它中断关掉，只保留RTC的秒中断，问题依旧。通过在RTC 秒中断服务程序中加入对GPIO 翻转的代码来测量RTC 秒中断响应的时间间隔，发现其是均匀的，如图（一）所示，说明并非RTC 的秒中断响应不及时而导致显示时间的波动。

用同样的方法测量从RTC 秒中断得到响应到完成屏幕上显示时间的更新所消耗的时间，结果为1.56mS，如图（二）所示。这一延时不足以对屏幕上显示时间造成的可察觉的波动。到此，不知下步该如何定位问题原因.

调研：

重复观察现象，如其所述。为了便于观察，修改代码，在每次从RTC 读取新的时间之后，将保存时间的变量通过UART 打印到终端软件上。其结果如图（三）所示，与设备屏幕上的显示时间是一致的：

进一步修改代码，在每次从RTC 读取时间数据之前加入1mS 的等待，如表（一）所示，其中变量TimeDisplay 由RTC 的秒中断服务程序置“1”，触发该任务更新屏幕显示时间.

Void Tim_Show(void)

{ /* infinite loop */

  While(1)

 {/* if 1 second has passed */

    If (TimeDisplay==1)

    {/*display current time */

       Delay(1) // 从RTC读取时间之前延时1s

       Time_Display(RTC_GetCounter());

       TimeDisplay = 0;

       GPIO_WriteBit(GPIO_LED,GPIO_Pin_6,Bit_RESET);

     }

   }

  }

编译后重新测试，结果表明之前所述现象不再发生.

结论与处理：

用户程序对RTC 时间的读取与RTC 自身内部对时间数据的更新在时序上存在竞争关系，以至两者在时间上的操作顺序不确定。于是，读到的时间数据，时而是新数据，时而是旧数据，从而导致读回的时间数据的取值会发生跳变、或者不变的现象，而不是稳定的递增。

通过在读RTC 的时间数据之前加入一定延时，来保证其与RTC 内部数据更新之间保持一个固定的时间顺序，以便读回的都是更新后的数据。

深入分析：

在STM32 中，RTC 部分与CPU分别属于不同的时钟域，且两者的工作时钟频率相差较大，前者工作在32.768KHz 的频率下，而后者的工作频率通常在36MHz 以上。这一差别导致两者对同一事件做出响应的速度存在着明显的差距，CPU的响应速度快而RTC 响应速度慢。从下图所示的RTC系统架构中可以看到，由前置分频器产生的秒脉冲信号送给RTC 的计数器的同时，也通过RTC的中断请求控制单元送到了CPU 的NVIC 单元。

这样的信号传递关系决定了，在RTC 的计数器接到更新计数的信号的同时，RTC 的秒中断请求信号即已送达CPU，而不是在RTC 的计数器完成更新计数之后。这样一来，由于RTC 对这一事件的响应时间是RTC时钟域的1 个时钟周期，即30.5us,而CPU 对这一事件的响应时间才几个到几十个CPU 时钟域的时钟周期。假如CPU 工作在36MHz 的频率下， 一般来说这一时间在330ns左右，所以，CPU 要先于RTC 的计数器响应这一事件。然而，一般情况下软件的中断服务程序并非一开始就去读RTC的时间数据，而是要先做一些前期的判断和准备工作，甚至要等到中断服务程序结束后，由普通任务去读这一数据。由此，也会引发一个延时，通常这一延时的时长在10uS到50uS 之间。于是，读取RTC 的时间数据的事件和RTC 计数器更新计数值的事件在非常邻近的时间点上发生，且无固定顺序。综上所述，几个事件在时间上的关系，如图下所示：

为了消除RTC 计数器更新时间数据和软件读取RTC 时间数据这两个事件在时间上的竞争，可以让后一事件延后一段时间之后再发生，以确保两个事件有固定的先后顺序。

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