時(shí)鐘是硬件設(shè)計(jì)人員的標(biāo)準(zhǔn)概念，但不太熟悉軟件工程師。但是，在嵌入式編程（尤其是實(shí)時(shí)嵌入式編程）中，軟件開發(fā)人員必須在其軟件程序中處理時(shí)鐘。本文討論基于軟件的時(shí)鐘的基礎(chǔ)知識(shí)。

什么是時(shí)鐘

時(shí)鐘是一種交替固定頻率的信號(hào)。

圖1：時(shí)鐘信號(hào)。

時(shí)鐘周期是信號(hào)連續(xù)上升沿之間的時(shí)間。頻率是上升沿出現(xiàn)的速率（即1/周期）。時(shí)間或頻率表征時(shí)鐘。在軟件中，要跟蹤時(shí)鐘，您只需存儲(chǔ)其中一個(gè)值。在本文中，這些示例使用其周期來表征時(shí)鐘，因?yàn)檫@使得它們更容易編碼。為了說明，讓我們使用浮點(diǎn)類型來表示它（例如，C double類型）。在實(shí)踐中，可以使用任何可以表示時(shí)間的類型。通常使用定點(diǎn)表示。

使用時(shí)鐘

一旦軟件中有時(shí)鐘頻率，您可以通過乘以或除以周期來輕松地對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行乘法或除法。有關(guān)時(shí)鐘的信息可以傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)以遠(yuǎn)程重建，或控制與時(shí)鐘同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。

輸出時(shí)鐘

要輸出時(shí)鐘，需要對(duì)輸出端口進(jìn)行高位和低位交替打擊。以下C風(fēng)格的偽代碼顯示了這個(gè)想法：

double t;

int val = 0;

t = get_current_time（）;

while（1）{

t + = period/2;

output_at_time（t，val）;

val = ~val;

}

此處 get_current_time 獲取當(dāng)前時(shí)間， output_at_time 在指定時(shí)間向端口輸出值。但是，這些功能僅對(duì)軟件系統(tǒng)中固有的某些分辨率是準(zhǔn)確的。輸出時(shí)鐘的頻率被量化為該分辨率，這意味著頻率可以遠(yuǎn)離所需值。你可以通過跟蹤這種量化引起的誤差并隨著時(shí)間的推移進(jìn)行調(diào)整來改善這一點(diǎn)。以下代碼顯示了這一點(diǎn)：

double t;

int val = 0;

double hi = floor（（期間/2）/分辨率）*分辨率;

double lo =（期間/2）-hi;

double err = 0;

t = get_time（）;

while（1）{

t + = hi;

err + = lo;

if（err》 = resolution）{

err - = resolution;

t + = 1;

output_at_time（t，val）;

val = ~val;

}

此算法會(huì)跟蹤錯(cuò)誤，當(dāng)錯(cuò)誤變得足夠大以便合并到輸出中時(shí)，它會(huì)這樣做。使用此方法，輸出時(shí)鐘將具有正確的頻率，但量化仍將導(dǎo)致時(shí)鐘上的可觀察到的抖動(dòng)。

恢復(fù)時(shí)鐘

有時(shí)您需要從輸入信號(hào)中恢復(fù)時(shí)鐘，以便將其用作系統(tǒng)中其他處理的基礎(chǔ)。

匹配頻率

最簡單的事情是匹配傳入時(shí)鐘的頻率。在特定時(shí)間段內(nèi)，計(jì)算時(shí)鐘上升沿的數(shù)量，然后計(jì)算每個(gè)上升沿的周期：

period = sample_period/ticks_in;

傳入時(shí)鐘隨時(shí)間變化，因此您必須定期重新采樣。

使用反饋回路

有時(shí)只是匹配時(shí)鐘的頻率是不夠的。隨著時(shí)間的推移，小的不匹配和調(diào)整會(huì)增加，導(dǎo)致您的內(nèi)部時(shí)鐘概念和實(shí)際時(shí)鐘長時(shí)間漂移。恢復(fù)時(shí)鐘的滴答數(shù)可以與原始時(shí)鐘的滴答數(shù)不同。為了解決這個(gè)問題，您需要不斷調(diào)整時(shí)鐘之間的累積誤差，這是一個(gè)可以使用PID控制循環(huán)完成的任務(wù)。1

假設(shè)您想要將輸出時(shí)鐘與輸入時(shí)鐘匹配。其思想是定期調(diào)整輸出時(shí)鐘周期。在每個(gè)調(diào)整點(diǎn)，查看自上次調(diào)整傳入時(shí)鐘（ticks_in）以來的滴答數(shù)以及自上次調(diào)整傳出時(shí)鐘（ticks_out）以來的滴答數(shù)。它們之間的區(qū)別在于時(shí)鐘的比例誤差。

從比例誤差中，您還可以計(jì)算積分（或累計(jì)）誤差和差分誤差。然后基于這些值調(diào)整周期以將時(shí)鐘周期移向正確的值。隨著時(shí)間的推移，算法停留在固定點(diǎn)上，并且比例誤差趨向于零。以下代碼可用于調(diào)整每次更新的時(shí)間段：

P = ticks_out -ticks_in;

I = I + P;

D = P -prevP;

period = period + Kp * P + Ki * I + Kd * D;

常數(shù)Kp，Ki和Kd的設(shè)置會(huì)影響算法的穩(wěn)定速度以及它可以處理的輸入時(shí)鐘的擾動(dòng)程度。有一套方法可以正確地為你的應(yīng)用程序計(jì)算這些常量，這里沒有討論，但一個(gè)很好的起點(diǎn)是關(guān)于PID控制循環(huán)的維基百科頁面。

下圖顯示了此類算法隨時(shí)間推移的典型誤差。

圖2：PID誤差進(jìn)程。為什么？

對(duì)于硬件工程師來說，上一節(jié)的結(jié)果并不突出。時(shí)鐘已經(jīng)以相當(dāng)復(fù)雜的方式路由。那么為什么需要將時(shí)鐘帶入軟件領(lǐng)域呢？一個(gè)原因是，將時(shí)鐘作為軟件中的邏輯實(shí)體，您可以對(duì)其進(jìn)行分析并對(duì)其進(jìn)行操作。例如，您可以將要在其他地方使用的時(shí)鐘進(jìn)行小數(shù)乘法，或者可以將其頻率報(bào)告給某個(gè)更高級(jí)別的應(yīng)用程序。但是，一個(gè)很大的應(yīng)用是，您可以將時(shí)鐘傳輸?shù)较到y(tǒng)的另一部分，并通過僅數(shù)字傳輸進(jìn)行恢復(fù)，而無需顯式傳輸時(shí)鐘。例如，時(shí)鐘可以通過USB總線或以太網(wǎng)傳輸。如果必須明確連接系統(tǒng)中的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，這在連接性和靈活性方面帶來了很多好處，這將受到嚴(yán)重限制。

要遠(yuǎn)程恢復(fù)時(shí)鐘，您需要傳輸反饋信息（例如，滴答計(jì)數(shù)）。這種計(jì)算在一段時(shí)間內(nèi)仍然需要一個(gè)共同的時(shí)基，因此系統(tǒng)的所有部分必須具有相同的全球時(shí)間感。如何做到這一點(diǎn)超出了本文的范圍，但對(duì)于基于總線的系統(tǒng)（如USB或Firewire），總線可能帶有全局時(shí)鐘。對(duì)于更松散耦合的系統(tǒng)，如以太網(wǎng)或其他分組交換網(wǎng)絡(luò)，需要全局時(shí)鐘恢復(fù)協(xié)議。