痞子衡嵌入式：利用GPIO模块来测量i.MXRT1xxx的系统中断延迟时间

大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT1xxx的系统中断延迟时间。

　　在 《Cortex-M系统中断延迟及其测量方法简介》 一文里，痞子衡介绍了 Cortex-M 中断延迟的基本概念及一种用 GPIO 模块来测量中断延迟时间的方法，今天我们就在 i.MXRT1xxx 系列芯片上用这种方法实测一下中断延迟：

一、官方指标

　　恩智浦 i.MXRT1xxx 系列目前有很多型号，都是基于 Cortex-M7 内核，主频从 500MHz 到 1GHz 不等。拿该系列第一款型号 i.MXRT1050 来说，在其官方主页可以看到其标称中断延迟时间低至 20ns。

　　在 《Cortex-M系统中断延迟》 一文第一小节里我们知道 Cortex-M7 的标准中断延迟是 12 - 14 个内核时钟周期，i.MXRT1050 主频是 600MHz ，理论计算可得 (1s / 600MHz) * 12 = 20ns，所以 i.MXRT1050 上这 20ns 的中断延迟是符合 ARM 标准的。

二、测试代码

　　现在我们在芯片上实测一下，痞子衡把i.MXRT1011/1021/1052/1062/1176 这五个型号均测了一遍，测试代码可以基于其各自 SDK 包。

　　以 i.MXRT1052 为例，选用 \SDK_2.10.0_EVKB-IMXRT1050\boards\evkbimxrt1050\driver_examples\gpio\input_interrupt 例程为模板（注意选择 debug build，即代码链接在 TCM 里，满足零等待内存的测试需求），按 《Cortex-M系统中断延迟》 一文第二小节设计思想修改主函数如下（关于 GPIO 中断使用可以参考 《以i.MXRT1xxx的GPIO模块为例谈谈中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》 一文）：

• Note1: 为了结果的准确性，痞子衡同时测试了多个不同类型的 GPIO 中断，因为部分 i.MXRT 型号中包含普通 GPIO 和 HSGPIO，并且有些 GPIO 事件既可以触发 Combined 型中断，也可以触发独立的中断。
• Note2: 输出信号用的 GPIO 类型对于本次测试不重要，无论选择普通 GPIO 还是 HSGPIO 去翻转，其翻转时长不影响最终测试结果。

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、测试结果

　　现在我们来看 5 个 i.MXRT 型号的详细测试结果，根据测试结果，我们得出如下结论：

• 结论1： 不同类型 GPIO（普通GPIO/HSGPIO）或者不同类型的 GPIO 中断（Combined 型/独立型），其中断延迟结果几乎是一样的（但是 i.MXRT1170 除外）。
• 结论2： i.MXRT1020/1050 上测出的 GPIO 中断延迟接近 ARM 标准值，但是 i.MXRT1010/1060/1170 上测出的 GPIO 中断延迟大于 ARM 标准值（猜测是 GPIO 模块设计导致的延迟较大，并不是内核本身延迟大）。
• 结论3： 本次方法测出的 GPIO 中断延迟不是一个固定值，存在约 3 个内核时钟周期的波动（多次测量观测到），原因可能是 PAD 信号跳变与 NVIC IRQ 信号置起的同步时机差异。

3.1 实测i.MXRT1011

系统时钟配置	PAD	GPIO	IRQ	t1	t2	td	中断延迟时钟数
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 实测i.MXRT102x

系统时钟配置	PAD	GPIO	IRQ	t1	t2	td	中断延迟时钟数
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 实测i.MXRT105x

系统时钟配置	PAD	GPIO	IRQ	t1	t2	td	中断延迟时钟数
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 实测i.MXRT106x

系统时钟配置	PAD	GPIO	IRQ	t1	t2	td	中断延迟时钟数
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 实测i.MXRT117x

系统时钟配置	PAD	GPIO	IRQ	t1	t2	td	中断延迟时钟数
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