Точное управление GPIO

pi

@sv-lary#6819 С компа идут данные, как выставить цвета на ленте. Мне нужно передавать 30 раз в секунду цвета для 144 светодиодов, по 24 бита на каждый. Бит передается тремя подряд идущими уровнями: единица, затем значение бита, затем ноль. Каждый из этих уровней должен длиться 400 нс. Между светодиодами нужно выдерживать паузу 50 мкс. Это не слишком большой объем данных, но лента очень чувствительна к таймингу, и сбывается при малейшей отклонении.

При этом лент больше 20. Из за этого не получается использовать аппаратный PWM, по этой же причине я использую малину, а не контроллер - если контроллер и переварит 2,5 мбит/с, то задержка будет все равно значительной.

Поэтому я влез в драйверы.

pi

И я не пытаюсь что-то там доказать, я новичок, а Вы профессионал, и Вы разбираетесь в теме намного лучше меня. Я лишь уточняю свою цель - мне просто нужно заставить малину железобетонно выдерживать интервалы ровно в 400 нс плюс минус 20 нс без каких либо исключений. Проблема не в количестве данных, а в соблюдении чётких интервалов, потому что лента работает безо всяких коррекций ошибок и ожиданий.

По поводу ndelay. Вот меандр, выдаваемый без ndelay:
Описание
интервал 680 нс получается, по-видимому, потому, что я не использую DMA - собственно, сейчас прикручиванием оного я и занимаюсь. И вот к этому коду после включение, и после и выключения пина я добавляю по ndelay(400). По логике интервал должен стать равными примерно 1 мкс. Но на практике происходит так:
Описание
Может я чего-то и не понимаю, но она накинула целую микросекунду, и это совсем не то, что нужно. Окей, попробуем ndelay(1):

Всё еще печаль. Видимо сам вызов ndelay занимает неприемлемо большой интервал времени.

Все эти выделения памяти с отключением кеширования и отключение прерываний я использую лишь для того, чтобы сделать поведение этого кода максимально детерминированным. Чтобы в процессе переключения пина ничего не влезло и не задержало мой код даже на 50 нс. Если есть другие способы достичь этого, буду рад узнать. ndelay, к сожалению, не работает.

pi

@VBDUnit#6821 Вы разбираетесь в теме намного лучше меня

Не думаю, что я разбираюсь в управлении светодиодными лентами лучше Вас. Просто мне не верится, что для решения этой задачи нужны какие-то титанические усилия.

@VBDUnit#6821 и не задержало мой код даже на 50 нс

Может я и не прав, но вроде же есть какие-то устройства (которые так и называют - LED-драйверы), специально предназначенные для таких целей.

Я понял так, что Вы на GPIO ноге пытаетсь сформировать сигнал, управляющий работой нескольких LED-лент. Но ведь это не задача драйвера! Драйвер (программный, из ОС) должен записать в аппаратный драйвер какую-то битовую маску, которая задаёт конфигурацию светящихся огоньков, установить скорость движения этой маски через матрицу LED и направление движения. Всё остальное должна делать аппаратура!

Драйвер ос не должен работать с электрическими сигналами. Он должен работать с логикой.

pi

По сути Вы правы, можно использовать и драйверы. Только в моем случае их понадобится 20 штук, по одному на каждую ленту. Но для таких лент для реалтайма с низким лагом это довольно дорого, сложно и геморройно, я бы даже сказал, что я не видел драйверов, которые это смогут с таким количеством диодов сделать на нормальной скорости. Поэтому я взял малину - у которой ресурсов в избытке, и пытаюсь заставить её контролировать одновременно 20 лент. По сути это даже не драйвер/контроллер - она просто должна принимать по UDP пакет данных и в правильном виде рассылать по 20 лентам.

Смысл такой: управление каждой лентой осуществляется через 1 пин, переключаемый с интервалом 400 нс. Если я подключу к 20 пинам 20 лент, и затем через DMA буду выводить с интервалом 400 нс на эти пины битовые маски, меняя или не меняя состояния тех самых 20 пинов за раз, то я буду параллельно управлять 20 лентами. Битовые маски для параллельного управления всеми лентами сразу в реалтайме генерируются на компе и отправляются по UDP по проводному соединению в малину, где она должна сделать, условно говоря, вот это:

while (ptr < end) { *dmaRegister = *ptr++; wait400ns(); }

Всё. Больше от неё ничего не требуется. Получай данные, отправляй в пины. Но каждый раз жди ровно 400 нс, без исключений. Контроллеры умеют в точные тайминги, но с таким потоком данных не справляются, а малина наоборот - ей раз-плюнуть обработать данные, но с таймингами адская дичь. Выдерживать интервал в 400 нс, оказываются, очень сложно.

У меня уже вроде получилось добиться одинаковых интервалов, но проблема в том, что они 580 нс, а надо 400. По сути, всё из-за того, что gpio_set_value работает медленно, и мне нужно либо что-то быстрее, либо вообще DMA. Вот здесь вроде как у человека получилось притащить DMA для малины в kernel, но ссылки там битые https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=235501

И вот здесь, по идее, мне не поможет даже ОС реального времени, т.к. проблема теперь не в ровных таймингах, а в уменьшении их длительности, для чего нужно поменять подход к работе с GPIO.

pi

@VBDUnit#6829 я не видел драйверов, которые это смогут с таким количеством диодов сделать на нормальной скорости.

Я в этой области не разбираюсь совсем, но просто пошёл на гуглу и вбил там в строке поиска ESP32 LED. И очень много ссылок выскочило. Например:

Board with 25 RGB LEDs is offered with ESP32-C3 or ESP32-Pico-D4
https://www.cnx-software.com/2022/01/07/board-with-25-rgb-leds-is-offered-with-esp32-c3-or-esp32-pico-d4/

На алибабе этот модуль стоит 1200 рублей.

@VBDUnit#6829 это довольно дорого

Не знаю, но это всяко сопоставимо с ценой самой ленты.

@VBDUnit#6829 получилось притащить DMA для малины

Драйвера конкретно для малины я не писал. Но, насколько мне известно, поддержка DMA там есть и так. Если же Вы планируете использовать DMA в своём драйвере LED, то может быть Вам окажется полезным перевод, который я когда-то делал для себя, в процессе разработки своих драйверов. Сайт

http://larionov.mytomsk.ru/

Там на закладке "Переводы" есть статья "Применение динамческого мапирования DMA для драйверов обычных устройств" - может быть пригодится.

Моё мнение такое: нужно использовать аппаратные драйверы LED. Если готовых таких не найти, то надо обратиться к железячникам, которые работают с PLIS-ками. Они за три дня сделают такой драйвер. Им это будет гораздо проще, чем Вам писать драйвер с DMA...

pi

@VBDUnit#6829 Как на счет попробовать вместо Delay (или wait, как в этом коде), делать счет циклов, которые равны времени такта процессора (если ничто другое, конечно его не прерывает).
Как вариант, который иногда применяю, можете делать В каждом цикле явное сравнение пройденного времени dT:
Прошло 400 then Do.
Это часто решает вопрос. По началу я только так с ШИМами и работал.

pi

Несколько абстрактных мыслей, возможно автору они чем то помогут.

Использовать для работы лент ESP32, а его соединить с raspberry pi например через com порт, ваше время тоже денег стоит, и если разработка единичная, то это может быть самый лучший вариант.
2)Обратите внимание на библиотеку https://github.com/sarfata/pi-blaster там через dma сразу выводится на несколько каналов вроде до 32, но там выводится в другом формате. Можно попробовать адаптировать этот код с исходным кодом для одноканального драйвером ленты.
Писать в регистры ввода вывода на прямую(предварительно промэпировав их в адресное пространство процесса), минуя какие либо вызовы функций

pi

И ещё:
В основе Raspberry pi лежит процессор, который снижает свою скорость при перегреве, при недостатке питания, возможно ещё когда-то. Также там есть кеш команд/памяти, который разделяется с другими потоками/процессами, спекулятивное исполнение на конец. Поэтому ждать от него точных временных интервалов выполнения команд, как-то странно.
И система реального времени вряд ли здесь поможет, хотя кто его знает. Но даже если и поможет, то решение получается какое то ненадёжное.

pi

Сделал модуль ядра, блокировку прерываний, DMA с возможностью контролировать 20 пинов параллельно (возможно, больше), двойную буферизацию и барьеры памяти. Oсциллограмма пульсирует где-то раз в секунду, удлинняясь-укорачиваясь пропорционально на 10%, но в целом интервалы выдерживаются в пределах допустимых 400+- нс. Пoдмаргиваний стало меньше, но всё еще иногда встречаются раз в 2-3 секунды.

Ключевое место работает так:

volatile register uint32_t m;
        while (smallBufferCurPos &lt; smallBufferEnd)
        {
             //делаем это, только обмазывая всё в три слоя memorybarriами на всякий случай
            //*setReg = *smallBufferCurPos++;
            //*clrReg = *smallBufferCurPos++;
            
            m = READ_ONCE(*smallBufferCurPos);
            barrier();
            WRITE_ONCE(*setReg, m);
            smallBufferCurPos++;
 
            barrier();
 
            m = READ_ONCE(*smallBufferCurPos);
            barrier();
            WRITE_ONCE(*clrReg, m);
            smallBufferCurPos++;
 
            barrier();
                        
            //wait 400 ns
            asm volatile(A_LOT_OF_NOP);
        }

Буферы состоят из uint32_t. По бoльшому буферу бежим указателем с шагом 24 * 3 * 3 * 2. На каждом шаге копируем 24 * 3 * 3 * 2 значения в маленький буфер. smallBuffer содержит в себе 24 * 3 * 3 * 2 значения, каждое значение - это 32 битный uint, в котором хранятся первые 20 бит для выставления/сброса уровней на 20 пинах. Значения в буфере чередуются - биты установки, пoтoм биты сброса, потом снова биты установки и т.п. После каждой пары установки-сброса ждем 400 нс с помощью нопов.

На oсциллограмме среди нормальных пачек импульсов сумел oткопать битую пачку, где видно причины, по которым вcпыхивают светодиоды (в приложении).

Описание

Я не oчень понимаю, почему оно так выглядит. Я бы пoнял, если бы местами осциллограмма была растянута, т.к. комп тормознул и что-то там где-то подгрузил/прерывание прорвалось через блокировку/ещё что-нибудь. Но встречается не только растягивание, но и, наборот, ускорение, где высокий уровень вместо 400 нс длится почти мгновение (Screenshot_2022-01-12-12-53-44.png). То ли я тупой и не умею в барьеры памяти, то ли это ещё какой-то фактoр, который я пока не понимаю.

Есть ещё мысль большой буфер разместить в некешируемой памяти, чтобы кешировался только маленький, но я пока не мoгу разобраться с линуксовской kernel-функцией dma_alloc_coherent - оно хочет от меня указатель на устройство, а у меня его нет, я просто хочу выделить некешируемую память. NULL не передашь - падает, проверил. Возможно, нужно использовать другую функцию.

pi

@Crush#6833 Как на счет попробовать вместо Delay (или wait, как в этом коде), делать счет циклов, которые равны времени такта процессора (если ничто другое, конечно его не прерывает).
Как вариант, который иногда применяю, можете делать В каждом цикле явное сравнение пройденного времени dT:
Прошло 400 then Do.
Это часто решает вопрос. По началу я только так с ШИМами и работал.

Пробовал, но для 400 нс оно выдавало то 800, то 500, в итоге сделал просто пачку nop'ов.

@sv-lary#6830 Да, ESP32 и STM32 тоже ко мне едут но что-то долго.

@Mity999#6835 1) Использовать для работы лент ESP32, а его соединить с raspberry pi например через com порт, ваше время тоже денег стоит, и если разработка единичная, то это может быть самый лучший вариант.

Мне почему-то тоже кажется что выход будет примерно такой.

@Mity999#6835 )Обратите внимание на библиотеку https://github.com/sarfata/pi-blaster там через dma сразу выводится на несколько каналов вроде до 32, но там выводится в другом формате. Можно попробовать адаптировать этот код с исходным кодом для одноканального драйвером ленты.

Очень интересно, пытаюсь сейчас понять как они это сделали.

@Mity999#6835 Писать в регистры ввода вывода на прямую(предварительно промэпировав их в адресное пространство процесса), минуя какие либо вызовы функций

Уже

pi

@VBDUnit#6838, то что у Вас импульсы получаются очень короткими, это очень очень странно.
Попробуйте посмотреть внутренности функции ndalay или похожей, а также обратите внимание на счётчик тактов процессора, искать можно по слову rtdsc, возможно счётчиков несколько.
https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/24882/armv6-instruction-set-for-getting-timestamp-counter-tsc

Конечно частота может проседать(при перегреве например), но это решение на первый взгляд лучше nop, по крайней мере не хуже. На первый взгляд коротких импульсов, при её применении, быть не должно.