如何正确计数定时器溢出，将32位高精度定时器转为64位

问题背景 #

我在PIC32MZ微控制器上使用一个以100MHz计数的32位核心定时器，系统运行FreeRTOS多任务，该定时器每42.9秒发生一次溢出。我通过中断服务程序（ISR）维护rollover_count变量来计数溢出次数，希望将其安全转换为64位计数器。现针对以下三种get_counts()函数实现方案，咨询：

• 哪种方案正确？
• 应采用何种解决方案？
• 第一种方案存在哪些问题？

现有溢出ISR代码 #

static volatile uint32_t rollover_count = 0;

void isr_core_timer_overflow()
{
    rollover_count++;
}

方案一 #

// 适用于PIC32这类32位微控制器
uint64_t get_counts()
{
    uint32_t count1 = ReadCoreTimer();

    // 无需临界区，因为读取的是32位值，而且关中断也不会阻止核心定时器计数
    uint32_t rollover_count_copy = rollover_count;

    uint32_t count2 = ReadCoreTimer();

    if (count2 < count1)
    {
        // 在读取count1和count2之间刚好发生了溢出，所以手动补计一次；注意：rollover_count会被溢出ISR递增，无需手动更新
        rollover_count_copy++;
    }

    uint64_t total_count = ((uint64_t)rollover_count_copy << 32) | count2;

    return total_count;
}

方案二（含临界区保护） #

// 适用于PIC32这类32位微控制器
uint64_t get_counts()
{
    uint32_t count1 = ReadCoreTimer();

    // 保存中断状态
    // 注：`__builtin_*`函数属于XC32编译器，文档可参考DS50002799C（《MPLAB® XC32 C/C++编译器用户指南（PIC32M系列）》）第195、265页附近（函数对应的汇编输出内容在此处）等
    unsigned int isr_state = __builtin_get_isr_state();
    __builtin_disable_interrupts();  // 临界区开始

    uint32_t rollover_count_copy = rollover_count;
    uint32_t count2 = ReadCoreTimer();

    // 恢复中断状态
    __builtin_set_isr_state(isr_state); // 临界区结束

    if (count2 < count1)
    {
        // 在读取count1和count2之间刚好发生了溢出，所以手动补计一次
        rollover_count_copy++;
    }

    uint64_t total_count = ((uint64_t)rollover_count_copy << 32) | count2;

    return total_count;
}

方案三（将count1读取移入临界区） #

// 适用于PIC32这类32位微控制器
uint64_t get_counts()
{

    unsigned int isr_state = __builtin_get_isr_state();
    __builtin_disable_interrupts();  // 临界区开始

    uint32_t count1 = ReadCoreTimer();
    uint32_t rollover_count_copy = rollover_count;
    uint32_t count2 = ReadCoreTimer();

    __builtin_set_isr_state(isr_state); // 临界区结束

    if (count2 < count1)
    {
        rollover_count_copy++;
    }

    uint64_t total_count = ((uint64_t)rollover_count_copy << 32) | count2;

    return total_count;
}

方案分析与结论 #

1. 方案一的问题

   • 存在计数错误的风险：假设在读取count1之后、读取rollover_count_copy之前发生定时器溢出，ISR会将rollover_count加1。此时count1是溢出前的大值，rollover_count_copy是更新后的新值，后续读取count2得到溢出后的小值，代码会判断count2 < count1为真，进而将rollover_count_copy再加1，最终导致64位计数器多计一次溢出，数据完全错误。
   • 核心原因是rollover_count的读取和定时器计数的读取没有同步，无法保证两者状态的一致性。

2. 正确方案：方案二

   • 方案二通过临界区保护rollover_count和count2的读取操作，确保这两个操作之间不会触发ISR，避免了rollover_count与当前定时器计数的状态不一致。
   • 临界区外读取的count1用于判断“临界区启动前是否发生溢出”：如果count2 < count1，说明在count1读取后、临界区开始前发生了一次溢出，手动给rollover_count_copy加1即可补上这次计数，逻辑完全正确。
   • 同时临界区仅包含必要的读取操作，耗时极短，对系统实时性影响可以忽略。

3. 方案三的问题

   • 临界区内读取count1和count2，虽然两次读定时器耗时很短，但完全没必要延长临界区时长。
   • 更关键的是：临界区内关中断后，即使定时器发生溢出，ISR也无法触发更新rollover_count。如果此时count2 < count1（两次读取之间刚好溢出），代码会手动给rollover_count_copy加1，而后续ISR恢复后会再给rollover_count加1，导致重复计数，最终64位计数器值错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Gabriel Staples