Умножитель частоты шагов на STM32

[MX_Master]

Механизм отлова внешних прерывания работает отлично! А вот моя опторазвязка на монтажке явно теряет шаги. Выяснил это, поиграв с переменными резисторами. Где-то с 2 КГц это очень заметно по текущей позиции оси в шагах.

[Impartial]

Далее для отладки нужен счетчик шагов и замер частоты,

Выгоднее измерять период сигналов шага.
Период характеризует основной параметр движения - мгновенную скорость. Перед умножением необходимо отфильтровать скачки скорости превышающие параметр максимального ускорения. Эти скачки - отражение недостатка операционной системы в плане реалтайма. Для этой цели наиболее подходящим является медианный фильтр который уберет эти скачки.
Но проще и правильнее сделать свою подсистему управления движением на основе получаемых из ЕМС заданий скорости или координат.
Эта задача наиболее эффективно реализуется на плисине.

[Сергей Саныч]

Но проще и правильнее сделать свою подсистему управления движением на основе получаемых из ЕМС заданий скорости или координат.

Ключевое слово - EMC. В системах с закрытым кодом такое не всегда проходит. Приходится работать с тем сигналом, что есть. Не зря тот же Степмастер пользуется неплохим спросом.

[MX_Master]

Проверял вчера быстродействие последней версии кода на STM32F4. Скорость работы всего кода получается на уровне 1 Мгц при постоянном STEP входе в 17 КГц для одной оси и умножителе = 2. Думаю, если все 5 осей подключить, то скорость работы будет в разы меньше.

Закралась мысль проверить как вообще падает скорость работы МК на простейших операциях. Создал чистый проект в Кубике, выставил все частоты на максимум (168Мгц) и в основной цикл программы добавил всего одну строчку

Код: Выделить всё

for (;;) {
  ++cnt;
}

это глобальная переменная, объявленная чуть выше как

Код: Выделить всё

volatile uint32_t cnt = 0;

компилирую, заливаю прошивку в МК и в STM Studio через ST-Link 2 SWD отслеживаю значение этой переменной.

За 1 минуту насчитывает примерно 1 680 000 000 циклов, т.е. в секунду это 28 000 000. Что теоретически можно считать за 28 МГц, что в 6 раз меньше максимума. Далее добавляем в главный цикл еще 4 паразитных операции (всего 5) и смотрим сколько насчитает на этот раз

Код: Выделить всё

for (;;) {
  ++cnt;
  --cnt;
  ++cnt;
  --cnt;
  ++cnt;
}

на этот раз в секунду отработало примерно 6 500 000 циклов. Что в теории 6.5 МГц. Получается уже в 24 раза меньше максимума. Далее добавил 8 паразитных действий (всего 9).

Код: Выделить всё

for (;;) {
  ++cnt;
  --cnt;
  ++cnt;
  --cnt;
  ++cnt;
  --cnt;
  ++cnt;
  --cnt;
  ++cnt;
}

на этот раз в секунду отработало примерно 3 500 000 циклов. Что в теории 3.5 МГц. И получается уже в 48 раз меньше максимума (168 Мгц).

На этом наглядном примере видно, что STM32F4 (168МГц), конечно, быстрее Меги2560 (16 Мгц). Но получить на нем отлов, обработку, умножение и вывод STEP сигналов на частоте более 1 МГц это из разряда фантастики (: Это надо на ассемблере прошивку писать, оптимизируя любую мелочь, чтобы добиться приемлемых результатов. Помню кто-то писал, что перестал считать такты МК, когда пересел на STM32 У меня так не получилось, я теперь каждую мелочь должен считать. Пойду делать ревизию на предмет ускорения...

[AndyBig]

Сгенерированный ассемблерный листинг не смотрели? Оптимизацию для компилятора указывали?

[Serg]

Надо не просто значения в регистрах менять, а выводить данные в порты - это ещё медленнее будет...

[ozzy_sv]

я извиняюсь но у меня есть идея )
есть такой себе драйвер TMC2100 https://www.trinamic.com/fileadmin/asse ... asheet.pdf

, и у него есть фишка - он шаг 16 размножает внутри cебя до 256
Так вот , сам драйвер слаботочный, до 2х ампер, но вот если к нему прикрутить внешние ключи или не пройдет ??

[ozzy_sv]

Создал чистый проект в Кубике

индусы накодили HAL на славу

попробуйте перелезть на CMSIS

[selenur]

Что-бы выжать максимальную производительность, ассемблер не поможет, нужно с уметь правильно организовать логику, распределив операции которые выполняются на МК, и периферии. Т.к. некоторые вещи периферия может делать с большей частотой, чем это будет делать МК.

[selenur]

Создал чистый проект в Кубике

индусы накодили HAL на славу

попробуйте перелезть на CMSIS

индусы тут ни причем, это особенность работы МК, вот представим что у нас есть всего одна ассемблерная команда NOP, а частота МК 168 МГц, частота выполнения одной команды составит 84 Мгц, т.к. один такт на выполнение команды, и один на переход в начало программы, если код будет состоять из 2-х команд NOP то уже будет расходоваться на один цикл 3 такта МК, но с ростом количества команд, время выполнения одной команды не будет так резко падать.

[michael-yurov]

А еще можно, выводя значение в порт менять состояние сразу 16 линий.

[MX_Master]

Сгенерированный ассемблерный листинг не смотрели? Оптимизацию для компилятора указывали?

Для боевого кода оптимизация -O3, а в примере - только по размеру (-Os). Листинг не смотрел.

А еще можно, выводя значение в порт менять состояние сразу 16 линий.

Я так делал в проекте на ардуине. Но на макетке с STM32F4 на любом порту всегда найдутся хотя бы пара пинов, которые чем-то заняты, то под отладку, то под светодиоды, то под кнопки. Так что слёту не получилось найти два абсолютно свободных порта под вход и выход. Но это всё поправимо, если надо - физически очищу занятые пины чтобы атомарно читать и писать сразу в порт.

Что-бы выжать максимальную производительность, ассемблер не поможет, нужно с уметь правильно организовать логику, распределив операции которые выполняются на МК, и периферии. Т.к. некоторые вещи периферия может делать с большей частотой, чем это будет делать МК.

А какая периферия в этой задаче поможет кроме встроенных таймеров/счетчиков и обработки внешних прерываний (EXTI)?

[Serg]

Но на макетке с STM32F4 на любом порту всегда найдутся хотя бы пара пинов, которые чем-то заняты, то под отладку, то под светодиоды, то под кнопки.

Битбандинг работает так-же быстро...
Но проблема не в скорости записи бита или слова, проблема в частоте тактирования gpio.

[MX_Master]

Но на макетке с STM32F4 на любом порту всегда найдутся хотя бы пара пинов, которые чем-то заняты, то под отладку, то под светодиоды, то под кнопки.

Битбандинг работает так-же быстро...
Но проблема не в скорости записи бита или слова, проблема в частоте тактирования gpio.

Недавно читал пару статей с тестами частоты тактирования gpio (например). Мой код все равно работает куда медленней ))

[MX_Master]

Убрал всё из основного цикла. Любой, даже мелкий, кодик в основном цикле мешает процессору нормально работать. Взамен перешёл на более продуманную работу со встроенным таймером. Причем, прерывания по переполнению счётчика таймера происходят не чаще, чем требуется для генерации выходного сигнала. Например, если частота на входе у нас до 20 КГц от LinuxCNC, а выходной множитель = 8 (для получения 160 КГц), то прерывание по таймеру происходит с частотой 20 * 8 * 2 = 320 КГц. Проц будет занят не сильно и позволит проводить доп. обработку буфера входа/выхода.

[u37]

Нет нужды разгружать фоновый процесс. Его задача - управление. Прерывания от таймеров (и др.) работают одинаково стабильно и при разгруженном и полностью заваленном фоновом процессе.
Просто перераспределите приоритеты - что должно выполняться вначале (в первую очередь), а что может немного подождать.
Кстати, вы в курсе, что у NVIC есть приоритеты прерываний. В том числе, разделение их на "группы". Нюанс - в возможности прерывать или не прерывать чужие прерывания того-же уровня.

[michael-yurov]

Можно еще и свое же собственное прерывание прерывать или не прерывать, в зависимости от задачи.
Т.е. процедура обработки прерывания может быть запущена во времы выполнения этого же самого прерывания.

[MX_Master]

Спасибо всем за советы. Прерывания изучил в самую первую очередь, еще до первой рабочей версии кода.

Ну что ж, последняя моя задумка оказалось самой живучей Воплотил в жись. Докладываю..

Тестировал только одну ось, т.к. опторазвязка на остальные еще не прилетела из Китая. Для тестов использовал тот же китайский CNC USB Controller MK1 (максимум 17 КНz). Умножение наблюдал только в STM Studio, т.к. логический анализатор также в пути.

Задача минимум для меня была - размножить шаги, выдаваемые LinuxCNC (20 КГц) до 200 КГц, которые поддерживает шаговый драйвер. Попробовал множитель = 8 при входящей частоте 17 КГц. При продолжительном тесте на одной из программок, не один шаг на входе и выходе не был потерян. Все чётко множилось и в итоге вернулось в 0. Полноценные масштабные тесты в живую будут по прибытии опторазвязки и логического анализатора. Заодно и осцилом потом глянем.

Код можно глянуть здесь - https://github.com/MX-Master/STEP_DIR_multiplier. Подробности в двух словах..

Используются только три файла:

• shared.h - общак с настройками и переменными
• main.c - краткая инициализация
• stm32f4xx_it.c - всё, что касается прерываний

Настройки сейчас выглядят довольно просто

Код: Выделить всё

#define AXES                        5 // 1..5
#define MULT                        8 // output steps multiplier

#define INPUT_MAX_FREQUENCY         20000 // Hz

// direction change delays
#define OUTPUT_DIR_DELAY_BEFORE     50 // us
#define OUTPUT_DIR_DELAY_AFTER      50 // us

Входные/выходные пины лежат здесь, но их лучше настраивать в проекте CubeMX.

Заказал еще макетку с STM32F103C8Tx на борту (2$). Под нее код будет доработан и выложен чуть позже.

[MX_Master]

Забыл в двух словах принцип работы объяснить..

Входные шаги и смену направлений у нас ловят обработчики внешних прерываний (EXTI). Шаги ловят 5 первых отдельных линий EXTI (от 0 до 4) по фронту или спаду (на выбор). Смену направлений ловит общая линия EXTI (от 5 до 9). Соответственно, можно умножать шаги для 5-ти осей. Каждое входное прерывание добавляет данные сразу в выходной буфер.

Выходом занимается отдельное прерывание по таймеру, в котором идёт генерация шагов и направлений на основе выходного буфера. Прерывание запускается с частотой 2 * МНОЖИТЕЛЬ * МАКС. ВХОДНУЮ ЧАСТОТУ. Например, для множителя = 8 и 20 КГц на входе, генерация выхода будет работать на частоте 320 КГц. Сделано так, чтобы не отнимать у процессора больше времени, чем нужно.

Фильтров на входе/выходе пока никаких нет. Поэтому, если скважность входного сигнала будет плясать влево/вправо, на выходе будет примерно также Со временем чё-ньть придумаем с фильтрами..

[Serg]

#define AXES 5 // 1..5

Это какие 5 топоров?.. Ты вроде умножитель для осей (AXIS) делал...