Rtc что это в компьютере
Электронные устройства и компутеры работают с частотами в мегагерцы и гигагерцы, да и считают в байтах, что плохо соотносится с человеческим восприятием времени.
Французы во времена революции пытались привести время к формату десятков да сотен, но такой формат не прижился.
Часы реального времени (real time clock) предназначены для именно хранения и отсчета времени в "человеческом" формате.
Реальные часы реального времени
Поскольку модуль RTC оказался у меня под руками, то грех было бы не интегрировать его в систему. Благо это оказалось совсем несложно благодаря всё той же Time Library. Но обо всём по порядку.
Для тех, кто не знает, модули реального времени бывают двух типов — «обычные» (как правило, на чипе DS1307) и «продвинутые» (на чипе DS3231, который мне и достался). Разница между ними заключается в том, что первые не очень точные и могут «убегать» очень быстро и очень сильно, а вторые это высокоточные часы с нормированным уходом не более двух минут в год, то есть реально применимые на практике. А точность достигается благодаря более сложной схемной реализации и встроенной термокомпенсации.
Но программно обе версии модулей совместимы и работать с библиотекой и кодом будут и те и другие. Разница будет только в точности хода.
И конечно, одним из главных свойств часов реального времени является возможность работы при отключении напряжения питания, за счёт встроенной батарейки.
Использование в качестве генератора
Как и многие RTC микросхему PCF8563 можно использовать в качестве генератора сигналов. Вывод COT (pin 7 микросхемы ) это открытый сток поэтому помигать светодиодом через этот пин можно с разной частотой.За параметры частоты отвечает регистр 0x0D.
Седьмой бит данного регистра (FE) включает генератор.Биты 0 и 1 задают требуемую частоту.Биты с 6-го по 2-ой не используются.
Суть вопроса
Любой мало-мальски серьёзный проект на Ардуино должен иметь представление о текущем реальном времени. Например, показания датчиков должны быть привязаны ко времени (иначе никакой статистики и даже элементарных графиков невозможно будет построить), контроллер должен производить те или иные действия в зависимости от текущего времени суток, выходных, праздников и т. д. Если ваш контроллер не имеет представления о реальном времени, то он превращается в простой автомат, который может производить только элементарные действия по жёстко заданной программе.
Поскольку Arduino Mega Server это мощная и развитая система, то такое положение дел (отсутствие работы с реальным временем) меня, да и всех остальных пользователей системы, никак не могло устроить. Поэтому вопрос интеграции в систему RTC был одним из первых на повестке дня.
Программная поддержка
Теперь осталось только дописать поддержку модуля в коде AMS или вашего проекта. Как я уже сказал, это будет очень просто потому, что с модулем будет работать всё та же библиотека Time Library. Правда нам нужно будет добавить ещё одну библиотеку, а именно DS1307RTC Library. Её тоже распаковываем и помещаем в стандартную папку для библиотек:
Добавляем в код вашего скетча следующие строки
Теперь мы во всеоружии и можем приступать к написанию кода самого скетча, работающего с физическим модулем RTC. В функции
и внутреннее время Arduino Mega Server (или вашего контроллера) будет синхронизироваться с «железным» контроллером RTC, а не с серверами в Интернет или локальной сети. Таким образом, вызывая функции setSyncProvider(getNtpTime) и setSyncProvider(RTC.get) вы можете манипулировать источниками синхронизации времени и синхронизировать время так, как вам будет угодно, в зависимости от различных условий.
Ещё одна функция, о которой вам необходимо знать, это
которая позволяет узнать синхронизировано ли время и в зависимости от данного условия предпринять нужные действия.
Что такое часы реального времени или RTC и для чего они нужны?
Часы реального времени, также известные как RTC для его аббревиатуры на английском языке " часы реального времени «, Это компьютерные часы, обычно в виде интегральной схемы (на материнских платах это всего лишь один из множества микросхем), которые созданы с единственной целью - следить за временем. Естественно, он считает часы, минуты, секунды, месяцы, дни и даже годы.
RTC можно найти как в компьютерах (настольных и портативных), так и в интегрированных системах, серверах и любых электронных компонентах, имеющих процессор, поскольку для этих элементов требуется точный хронометр для их работы, как мы вскоре объясним. Очень важно иметь возможность продолжать работать, даже когда компьютер выключен или если батарея разряжена, поэтому обычно они носят с собой батарея в формате CR1220 или CR2032 что гарантирует автономную работу на долгие годы.
Часы реального времени вашего ПК должны иметь возможность точно отсчитывать время, даже когда устройство выключено, поскольку они часто используются в качестве триггера для включения устройства или для запуска таких событий, как будильники. В интегральных схемах старых систем используются литиевые батареи, в то время как в некоторых современных устройствах для этого используются вспомогательные батареи (например, батарея, о которой мы говорили) или даже суперконденсаторы. Микросхемы RTC, в которых используются суперконденсаторы, являются перезаряжаемыми и при желании могут быть припаяны, но, как мы уже упоминали сегодня, большинство из них используют батарею, которая при удалении сбрасывает RTC в исходную точку (и вам нужно вернуться, чтобы установить системное время) .
ИС RTC регулируют время с помощью кварцевого генератора, поэтому они не зависят от тактовых сигналов, как большинство аппаратных часов (например, ЦП, который зависит от этих часов реального времени). Помимо функции синхронизации системы и ее часов, часы реального времени гарантирует, что все процессы в системе правильно синхронизированы, что важно для работы ЦП. Хотя некоторые могут возразить, что это работа внутренних системных часов, на самом деле это зависит от часов реального времени.
Преимущества использования RTC на ПК:
- ИС RTC оказались более необходимыми, чем другие методы, такие как программирование таймера контроллера.
- Это освобождает основную систему от критических задач по времени.
- Он имеет низкое энергопотребление и практически идеальную стабильность частоты даже при низком заряде батареи.
Строение часов реального времени
К RTC подключается кварцевый резонатор (обычно с частотой 32768 Гц), с помощью которого генерируется тактовый сигнал. Используется чаще всего генератор Пирса ( про него и собратьев у меня тоже есть статья ). Частота сигнала делится счетчиками-делителями до 1 Гц, чтобы можно было отсчитывать секунды.
Полученный секундный сигнал считает счетчик (простите за тавтологию). Дата и время сохраняются в энергонезависимой памяти (NVRAM).
Для того, чтобы часы продолжали тикать и при отключении питания, нужен резервный источник - батарейка или аккумулятор, чаще всего литиевый типоразмера CR2032. Хотя в более старинных устройствах можно встретить и NiCd аккумуляторы, а в современных - суперконденсаторы :)
Вытащила однажды подобный Laser Lithium из японского аппарата 90-х годов. Как ни странно, напряжение было точно такое, как заявлено, и даже под небольшой нагрузкой не падало.
Так как часы могут работать как от основного питания, так и от батарейки, в них присутствует схема управления питанием. Зачастую часы могут еще и подзаряжать свой резервный источник питания.
Интерфейсы взаимодействия с часами тоже могут быть самые разные: параллельный, I2C, SPI, 1-Wire.
Точность часов измеряется в ppm (Parts Per Million, количество миллионных частей). В каталогах можно встретить часы как с точностью ±100 ppm (что эквивалентно "уходу" на 8,6 секунд в день), так и с точностью ±5 ppm (0,432 сек/день). Понятное дело, что точные часы дороже :)
Самые точные часы - атомные: они ошибутся на секунду через. сто лет работы. Но зато кушают побольше и стоят подороже. Если интересно, можете почитать статью про них у меня на канале .
Основные функции часов реального времени
- Отсчет времени в реальных единицах : секундах, минутах и часах и ведение календаря, опять же в реальных единицах: днях, месяцах и годах. Некоторые модели также помнят про день недели, переход с летнего времени на зимнее и високосность года
- Хранение даты и времени в отсутствие питания . Чтобы не вводить каждый раз при включении компьютера текущее время, данные о времени обновляются и сохраняются самим RTC.
- Формирование прерываний. Благодаря прерываниям можно автоматически включать компьютер (что просто удобно) или выводить микроконтроллер из спящего режима, когда нужно, например, выполнить измерение или т.п. (что экономит энергию).
- Освобождение вычислительных ресурсов системы. В обычной системе процессор почти всегда занят вычислениями, и "увлекшись", может пропустить несколько тактов и не записать их в переменную, в которой хранится время. Если такое произойдет несколько раз, часы будут отставать :) Компьютеру, а уж тем более МК, гораздо проще "спросить" время у RTC.
Как это работает
Принцип очень простой. Библиотека «запускает» виртуальные часы «внутри» контроллера и предоставляет возможность синхронизировать их множеством способов, на выбор. Вы можете выбрать тот способ, который вам больше подходит. Поскольку Arduino Mega Server это сетевое устройство, то был выбран вариант синхронизации часов через сеть с серверами точного времени. Это могут быть сервера в Интернет или сервера в локальной сети, на которых работает соответствующая служба. Например, в базовом варианте AMS часы синхронизируются с сервером MajorDoMo, и для этого ничего настраивать не нужно, всё работает «из коробки».
Итак, для того, чтобы это заработало, нужно в начале скетча подключить соответствующие библиотеки.
Файл Time.h это собственно библиотека для работы со временем, а остальные файлы необходимы для работы с сетью и для синхронизации времени по протоколу NTP (библиотека Ethernet тоже должна быть у вас установлена).
Далее, вам нужно указать IP-адрес сервера, с которым вы хотите синхронизировать время
и соответствующий порт
но тут есть один момент: порт 8888 подходит для синхронизации в локальной сети, а в Интернет большинство серверов по нему не отвечает, поэтому, если вы планируете синхронизировать время с серверами точного времени в Интернет, то лучше установить порт 123:
осталось только указать временную зону
и создать объект EthernetUDP
На этом подготовительные операции можно считать законченными и можно описывать нужную вам функциональность работы со временем. Функция инициализации:
Здесь нужно обратить внимание на функцию
Эта функция устанавливает источник синхронизации времени (в данном случае это NTP синхронизация через сеть). Но это может быль любой другой источник, например, физический модуль RTC. Выполнение этой функции приводит к установке источника синхронизации (на будущее) и, одновременно, к самой синхронизации времени через этот источник. Именно в момент выполнения этой функции у вас в системе «появляется» точное время.
В самой библиотеке есть ещё одна интересная функция,
которая позволяет задать нужный интервал между синхронизациями (задаётся в секундах, сами синхронизации происходят автоматически, без какого-либо участия с вашей стороны).
Теперь вы можете пользоваться точным временем внутри скетча Ардуино, например, выводить в Serial монитор события не просто, а привязанными к конкретному точному времени. Делается это при помощи функции timeStamp():
которая является обёрткой для функции serialRTC():
Разбор механизма передачи и отображения времени в веб-интерфейсе AMS выходит за рамки данного повествования и достоин отдельной статьи и, если будет интерес, то можно будет написать продолжение и во всех подробностях объяснить, как происходит «магия» отображения времени в веб-интерфейсе Arduino Mega Server.
Собственно, всё. Так были организованы виртуальные часы реального времени в AMS вплоть до 0.12 версии включительно и так же вы можете организовать работу с точным временем в своих проектах, даже если у вас нет физического модуля часов реального времени. Но это ещё не конец истории, а скорее, только начало.
/*
Modul Virtual RTC
part of Arduino Mega Server project
*/
IPAddress timeServer(192, 168, 2, 8);
unsigned int localPort = 8888; // local port to listen for UDP packets
EthernetUDP Udp;
const int timeZone = 4;
time_t prevDisplay = 0; // when the digital clock was displayed
void rtcInit() Udp.begin(localPort);
Serialprint(«Waiting for NTP sync… \n»);
setSyncProvider(getNtpTime);
modulRtc = 1;
>
void rtcWorks() if (timeStatus() != timeNotSet) if (now() != prevDisplay) < // update the display only if time has changed
setLifer();
prevDisplay = now();
//digitalClockDisplay();
>
>
>
void printDigits(int digits) if(digits < 10) Serial.print('0');
>
Serial.print(digits);
>
void serialRTC() Serial.print(year());
Serial.print("-");
printDigits(month());
Serial.print("-");
printDigits(day());
Serial.print(" ");
printDigits(hour());
Serial.print(":");
printDigits(minute());
Serial.print(":");
printDigits(second());
>
void timeStamp() serialRTC();
Serial.print(" ");
>
void printRTC() serialRTC();
Serial.println();
>
const int NTP_PACKET_SIZE = 48; // NTP time is in the first 48 bytes of message
byte packetBuffer[NTP_PACKET_SIZE]; //buffer to hold incoming & outgoing packets
time_t getNtpTime() while (Udp.parsePacket() > 0); // discard any previously received packets
Serialprint(«Transmit NTP request\n»);
sendNTPpacket(timeServer);
uint32_t beginWait = millis();
while (millis() — beginWait < 1500) int size = Udp.parsePacket();
if (size >= NTP_PACKET_SIZE) Serialprint(«Receive NTP response\n»);
Udp.read(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE); // read packet into the buffer
unsigned long secsSince1900;
// convert four bytes starting at location 40 to a long integer
secsSince1900 = (unsigned long)packetBuffer[40] secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[41] secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[42] secsSince1900 |= (unsigned long)packetBuffer[43];
return secsSince1900 — 2208988800UL + timeZone * SECS_PER_HOUR;
>
>
Serialprint(«No NTP response\n»);
return 0; // return 0 if unable to get the time
>
// send an NTP request to the time server at the given address
void sendNTPpacket(IPAddress &address) // set all bytes in the buffer to 0
memset(packetBuffer, 0, NTP_PACKET_SIZE);
// Initialize values needed to form NTP request
// (see URL above for details on the packets)
packetBuffer[0] = 0b11100011; // LI, Version, Mode
packetBuffer[1] = 0; // Stratum, or type of clock
packetBuffer[2] = 6; // Polling Interval
packetBuffer[3] = 0xEC; // Peer Clock Precision
// 8 bytes of zero for Root Delay & Root Dispersion
packetBuffer[12] = 49;
packetBuffer[13] = 0x4E;
packetBuffer[14] = 49;
packetBuffer[15] = 52;
// all NTP fields have been given values, now
// you can send a packet requesting a timestamp:
Udp.beginPacket(address, 123); //NTP requests are to port 123
Udp.write(packetBuffer, NTP_PACKET_SIZE);
Udp.endPacket();
>
void showDuration(time_t duration) // prints the duration in days, hours, minutes and seconds
Serialprint(" (duration ");
if(duration >= SECS_PER_DAY) Serial.print(duration / SECS_PER_DAY);
Serialprint(" day ");
duration = duration % SECS_PER_DAY;
>
if(duration >= SECS_PER_HOUR) Serial.print(duration / SECS_PER_HOUR);
Serialprint(" hour ");
duration = duration % SECS_PER_HOUR;
>
if(duration >= SECS_PER_MIN) Serial.print(duration / SECS_PER_MIN);
Serialprint(" min ");
duration = duration % SECS_PER_MIN;
>
Serial.print(duration);
Serialprint(" sec) \n");
>
void checkEvent(time_t* prevEvent) time_t duration = 0;
time_t timeNow = now();
if (*prevEvent > 0) duration = timeNow — *prevEvent;
>
if (duration > 0) showDuration(duration);
>
*prevEvent = timeNow;
>
Установка будильника
В PCF 8563 есть возможность включения будильника и его настройки на конкретное время, день недели или месяца. Настройки будильника расположены в регистра с 09h по 0Сh в двоично – десятичном формате.
Чтобы включить срабатывание будильника по каким либо настройкам, например минуты и часы надо 7-ой бит(бит включения) установить в единицу для этого используем логический операцию ИЛИ (OR) и значение B10000000.
Проверку срабатывание будильника можно осуществить 2-мя методами: хардовым и софтовым. Используя софтовый метод мы проверяем 3-ий бит регистра 0x01 (AF alarm flag bit).При срабатывании он равен единице, присвоив ему значение 0 будильник отключается.
При хардовой проверке нужно 1 бит в том же регистре(AIE) перевести в единицу. При срабатывании будильника пин INT (interrupt) на плате переходит в проводящее положение, являясь выходом с открытым стоком поэтому смело можно припаивать например светодиод с резистором и подключать это все к 5 вольтам.
Теперь сам скетч:
Обзор таймеров в архитектуре PC
Источников времени в системе может быть несколько. Прикладные программы редко обращаются к каким-либо из них напрямую. Вместо этого используются всевозможные API, предлагаемые использованным языком программирования (например, C++11 < chrono >), средой исполнения (например, gettimeofday из POSIX или QueryPerformanceCounter на MS Windows), или даже системными вызовами используемой операционной системы.
Самой ОС также необходимо знать время и уметь отмерять его отрезки для планирования работы пользовательских потоков, учёта потреблённых ими ресурсов, профилировки производительности, управления энергопотреблением и т.п. При этом сама ОС работает напрямую с интерфейсами, предоставляемыми аппаратурой. Так как таймеров присутствует много, современные ОС умеют выбирать один «центрально» используемый в начале загрузки, исходя из своих представлений о «качестве» обнаруженных устройств (например, на некоторых системах часть таймеров может быть занесена в «чёрный список» из-за известных проблем в работе) или же настроек пользователя (параметр clocksource у ядра Linux и опции useplatformclock, tscsyncpolicy, disabledynamictick у BCDEDIT в Windows).
Опишу наиболее часто встречаемые устройства, являющиеся часами и таймерами в PC.
Общераспространённые
Часы реального времени (Real Time Clock, RTC) — источник текущей даты и времени для нужд ОС. Типичное разрешение этого таймера — одна секунда. Все системы, удовлетворяющие стандарту ACPI, имеют чип RTC, совместимый с Motorola MC146818, присутствовавшем в оригинальном IBM PC/AT с 1984 года. В современных системах RTC обычно интегрирован в набор системной логики южного моста на материнской плате (что означает довольно большую задержку при чтении). Энергонезависимость этого таймера обеспечивается специальной батарейкой. Принципы программирования RTC вызывают ностальгию по BCD-числам и проблеме Y2K.
Это удивительно, но первые системы IBM PC не имели в себе RTC. При каждом старте компьютера MS-DOS выдавала запрос на установку текущей даты и времени.
И даже в наше время не каждая вычислительная система способна хранить время между перезагрузками. Например, оригинальная RaspberryPi не имеет встроенного RTC (это было сделано для уменьшения стоимости), и правильная установка текущей даты/времени при загрузке системы зависит от синхронизации с сетевыми NTP-серверами.
Programmable Interval Timer (PIT) 8253 или 8254 от Intel — стандартный счётчик и таймер, имеющийся в PC с самого начала существования этой платформы (1981 год). Как и RTC, изначально был отдельной микросхемой, а ныне является частью системной логики. Довольно интересное устройство, содержащее три таймера (хотя последние два всегда были зарезервированы под задачи обновления ОЗУ и работу PC-спикера соответственно) и позволяющее запрограммировать их в различные режимы: периодические прерывания, однократное (one-shot) прерывание по таймауту, меандр и т.д.
Первый канал PIT до сих пор может использоваться ОС как источник прерываний для работы вытесняющего планировщика задач. Однако по современным меркам он не очень удобен в работе: низкая частота осциллятора 1193181,8 Гц (странное значение — это историческое наследие от частоты развёртки NTSC), ширина счётчика всего 16 бит (частое переполнение) при ширине регистров статуса и команд всего в восемь бит (т.е. приходится передавать или читать значение по частям), да и доступ к регистрам через медленный и негибкий механизм PIO (команды IN/OUT процессора).
Local APIC (advanced programmable interrupt controller), встроенный во все современные процессоры Intel (начиная с архитектуры P54C) и который в своём составе имеет ещё и таймер. Более того, каждый логический процессор имеет свой собственный LAPIC, что может быть удобно для выполнения работы, локальной для текущего ядра, без необходимости управления ресурсами. Однако, данное устройство не имеет фиксированной известной частоты; последняя скорее привязана к частоте ядра. Поэтому перед использованием программе необходимо её вычислить (калибровать), а для этого нужно дополнительное референсное устройство. Режимы, поддерживаемые LAPIC: однократное прерывание, периодические прерывание, и период, определяемый TSC.
Таймер в составе ACPI, почему-то называемый Performance Monitoring Timer (PMTIMER) — ещё одно устройство, которое поддерживается всеми системами, реализующими стандарт ACPI, с 1996 года. Данный таймер имеет частоту 3.579545 МГц, ширина регистра-счётчика может быть 24 или 32 бита. Сам таймер всегда активен при включенном питании системы и не зависит от режима работы центрального процессора.
High Precision Event Timer (HPET) — устройство, созданное как замена устаревшему PIT. Согласно стандарту, HPET должен содержать осциллятор, работающий с фиксированной частотой по крайней мере в 10 МГц, величину которой можно программно прочитать из его статусного регистра, и монотонно увеличивающий значение счётчик шириной в 64 бита. Также он должен содержать минимум три компаратора шириной в 32 или 64 бита, которые и используются для генерации прерываний по истечении запрограммированных периодов времени. Как и PIT, он способен работать в периодическом режиме или в режиме однократного прерывания. При этом метод его программирования (MMIO вместо PIO) удобнее и быстрее, чем у PIT, что вместе с повышенным разрешением, позволяет задавать интервалы более точно и с меньшей задержкой. Требуемая стабильность генератора равна 0,05% для интервалов длиннее 1 мс и 0,2% для промежутков короче 100 мкс; много это или мало — зависит от приложений.
Несмотря на то, что HPET уже давно присутствует в PC (с 2005 года), операционные системы не торопятся начать его использовать. Частично это вызвано не самым удобным способом задания интервалов с помощью возрастающего счётчика вместо убывающего — из-за немгновенности операций существует риск «не успеть» и задать событие в прошлом. Зачастую ОС используют таймер из APIC или PMTIMER, или же функциональность TSC, использующую такты процессора в качестве источника времени.
Трудная судьба инструкции RDTSC
История TSC достаточно интересна и поучительна, чтобы остановиться на ней подольше.
Сама идея очень прозрачная — использовать в качестве источника времени сам процессор, а точнее его тактовый генератор. Текущий номер такта сохраняется в регистре TSC (timestamp counter).
С помощью TSC можно как узнавать время от начала работы, так и замерять интервалы времени с помощью двух чтений. TSC также работает как будильник в связке с APIC в режиме TSC deadline.
- RDTSC (Read TimeStamp Counter — прочесть метку времени) появилась в Intel® Pentium™. Она записывает в пару регистров EDX:EAX 64-битное число тактов, прошедших с момента последнего включения питания/перезагрузки текущего ядра процессора. В отличие от всех ранее описанных устройств, которые доступны только привилегированному коду, RDTSC по умолчанию может исполняться на любом уровне привилегий (хотя ОС может динамически отключить поддержку RDTSC в пользовательском режиме, и тогда она будет вызывать исключение).
- RDMSR [0x10] — чтение модель-специфичного регистра (MSR) IA32_TIMESTAMP_COUNTER также возвращает текущее TSC. Данная инструкция допускается только в привилегированном режиме, и некоторые ОС активно используют именно её для чтения TSC (хотя лично мне непонятно, почему). Полезное свойство состоит в том, что через MSR значение TSC можно не только читать, но и изменять, используя инструкцию WRMSR.
- RDTSCP — Наличие её можно установить, проверив соответствующий лист CPUID. О двух её отличиях от RDTSC будет сказано чуть ниже.
Что ж, TSC — вполне естественная штука с простой логикой и простым сценарием использования, которая должна обладать многими полезными свойствами: высокое разрешение (один такт ЦПУ), низкая задержка при чтении (десятки тактов), редкие переполнения (64-битного счётчика должно хватать минимум на 10 лет), монотонность чтений (ведь счётчик всегда увеличивает своё значение), равномерность (процессор всегда работает), согласованность с другими таймерами (при старте системы можно выставить нужное значение записью в MSR).
Разве что-то могло пойти не так? На пути к успешному использованию TSC в качестве основного средства измерения времени в PC встала последующая эволюция процессоров. Новые возможности, появившиеся в процессорах после Pentium, «испортили» RDTSC и много лет мешали использовать её как основной таймер в популярных ОС. Так, в 2006 году один из Linux-разработчиков Ingo Molnar писал:
Мы наблюдали, что в течение 10 лет ни одной реализации gettimeofday, основанной на TSC и работающей в общем случае, не было написано (а я написал первую версию для Pentium, так что и я в этом повинен), и что лучше мы обойдёмся без неё.
We just observed that in the past 10 years no generally working TSC-based gettimeofday was written (and i wrote the first version of it for the Pentium, so the blame is on me too), and that we might be better off without it.
Отмечу, что со временем в архитектуру IA-32 вносились коррективы, устранявшие проявившиеся недостатки, и в настоящий момент TSC может (пока опять не сломали) быть использован в том качестве, в котором он задумывался.
- Внеочередное исполнение (Out of Order Execution, OoO). Начиная с Intel® Pentium™ Pro (1995 г.), процессор может исполнять машинные инструкции в порядке, отличном от использованного в программе, или даже параллельно (если они не зависят друг от друга). Это означает, что исполнение RDTSC может быть задержано или, наоборот, выполнено раньше, чем того требует последовательный программный порядок. Из-за этого, например, невозможно понять, сколько каких инструкций исполнилось между двумя вызовами RDTSC — нельзя надёжно измерить длительность участка кода. В результате не гарантируется монотонность показаний.
RDTSC не является инструкцией, сериализующей поток исполнения. Поэтому обычно используется «забор» из сериализующих команд вокруг неё, например, CPUID. Это, конечно, не выглядит очень изящно. В последующих обновлениях архитектуры появилась RDTSCP — инструкция, частично сериализующая поток исполнения, поэтому она не нуждается в дополнительных барьерах. У неё есть ещё одно хорошее свойство, но о нём чуть позже. - Управление энергопотреблением. Значение TSC увеличиваетсся каждый такт процессора. Всегда ли такт имеет один и тот же период, и всегда ли следующий такт следует сразу за предыдущим? Для Intel® Pentium™ это выполнялось. Для современных процессоров ответы на оба вопроса отрицательные. Процессор довольно значительную долю времени может быть приостановлен для экономии энергии (C-состояния). Исполняя инструкции, он может использовать динамическое изменение частоты для экономии энергии (P-состояния) или наоборот, для максимизации производительности (Turbo-состояния). Из этого следует, что просто счётчик тактов не будет обладать ни равномерностью, ни согласованностью.
И для этой проблемы было представлено (начиная с Nehalem) решение в виде т.н. invariant TSC, темп изменения которого не зависит от C- и P-состояний отдельных ядер. - Многопроцессорность и многоядерность. В системе с несколькими потоками, ядрами или процессорами у каждого из логических процессоров будет свой TSC. Это создаёт не одну, а целых две сложности.
Во-первых, значения, возвращаемые RDTSC на различных логических процессорах, могут оказаться сдвинутыми из-за неодновременности моментов инициализации ядер. Более того, из-за неустранимого дрейфа частот отдельных таймеров эта разница могла непредсказуемым образом флуктуировать в процессе работы.
Во-вторых, перестаёт работать возможность надёжно измерять время в пользовательских приложениях. Без дополнительных ухищрений вроде прописывания affinity в любой момент программа может быть вытеснена с одного процессора и затем продолжена на другом. Если процесс, желающий измерить длительность между двумя событиями, в процессе работы был перемещён ОС с одного ядра на другое, два чтения RDTSC, выполненные им, не будут связаны.
Для компенсации первой проблемы в последних поколениях процессоров для TSC заводится единый источник сигнала. Показания TSC со всех ядер при этом должны быть одинаковыми.
Для устранения второго недостатка RDTSCP обладает ещё одним свойством, позволяющим пользовательскому приложению детектировать миграцию в процессе измерения интервала времени. Кроме значения TSC в EDX:EAX она возвращает значение отдельного модель-специфичного регистра IA32_TSC_AUX в ECX. Обе записи происходят атомарно, т.е. TSC и TSC_AUX всегда берутся с одного логического процессора. В начале работы ОС должна выставить уникальные значения TSC_AUX на всех процессорах системы. Совпадение считанных ECX для двух вызовов RDTSCP гарантирует, что они были выполнены на одном процессоре; в противном случае на разницу двух TSC полагаться нельзя, и измерение следует повторить. Вообще этот механизм может иметь и другие применения; например, с помощью него можно оповещать приложение не только о факте миграции, но и просто о вытеснении, также способном исказить результаты измерений времени. Вместо прикладных программ могут выступать и «привилегированные»: гипервизор Xen использует данный механизм для нотификации DomU систем о миграции между машинами.
Прочие устройства
Выше я описал наиболее часто распространённые и используемые устройства по определению времени. Конечно же, конкретные системы могут иметь дополнительные устройства, уникальные для процессора, интегрированной логики или даже в форме специализированных периферийных устройств (например, сверхточные атомные часы). Степень их доступности из программ зависит от того, существует ли драйвер для конкретного устройства в выбранной ОС. Так, пробежавшись по исходникам Linux, я нашёл как минимум ещё два поддерживаемых источника времени для сборок x86: устройство NatSemi SCx200 в системах AMD Geode, и Cyclone для систем IBM x440. К сожалению, в Интернете не очень много документации по ним.
- PowerPC. Спецификации для 32- и 64-битных систем постулируют наличие регистра TB (time base) шириной в 64 бита, доступного на чтение пользовательским приложениям и на чтение/запись из супервизора. Изменения TB должны монотонно не убывать и не обязаны быть равномерными, а их частота зависит от реализации. Также из режима супервизора доступен 32-битный регистр DEC (decrementer), позволяющий программировать прерывание через промежуток времени. Его значение убывает до нуля с той же самой частотой, с которой возрастает TB.
- ARM. В целом наличие средств измерения времени сильно зависит от выбранного семейства. На архитектуре ARM11 регистр CCNT может быть использован для чтения текущего номера такта; однако ширина его всего 32 бита, что означает переполнение примерно каждые 10 секунд на системе с частотой в 400 МГц. На системах Cortex M3 присутствует устройство Systick шириной 24 бита, а скорость его изменения специфицируется значением из регистра TENMS.
- Intel ® IA-64 (Itanium). На данных системах в качестве счётчика тактов используется 64-битный регистр ar.itc (interval time counter). Для программирования периодов времени может использоваться набор регистров cr.itm (interval timer match), cr.itv (interval timer vector). Первый задаёт значение ITC, при котором сгенерируется прерывание, а второй определяет его номер.
- SPARC v9. Архитектура подразумевает наличие 63-битного регистра TICK. Последний 64-й бит этого регистра контролирует, разрешено ли непривилегированному приложению читать время.
Физическое подключение
Теперь давайте поговорим о том, как физически подключить модуль RTC к Arduino Mega Server или к вашему проекту на Ардуино. Сразу скажу, что это очень просто и вам понадобятся всего два резистора и несколько проводов.
Подключение тривиально: вам нужно найти на своём модуле четыре контакта — GND («земля»), VCC (напряжение питания), SCL (синхросигнал), SDA (данные). Остальные контакты используются в редких и специфических случаях и вы на них можете не обращать внимания.
Итак, вывод GND подключаем к «земле», вывод VCC — к напряжению питания контроллера. Здесь всё просто и никаких вопросов возникать не должно.
С остальными выводами дело обстоит ненамного сложнее. Модуль RTC общается с контроллером по интерфейсу I2C, у которого всего два провода: синхронизация и данные и в контроллерах Arduino уже предусмотрены контакты для подключения этого интерфейса. У Arduino Uno это A4 (SDA) и A5 (SCL), а у arduino Mega это D20 (SDA) и D21 (SCL).
Единственная тонкость заключается в том, что выводы SCL и SDA нужно «подтянуть» к источнику питания через резисторы 4,7 КОм. Если у вас нет точно такого номинала, то можно использовать резисторы из диапазона 2 КОм — 10 КОм.
Тонкий момент
Нужно различать две вещи: время, идущее в «железном» модуле RTC и время, идущее в вашем контроллере. Это не одно и то же. «Главным» для вас является время в контроллере, а время в модуле является лишь источником для синхронизации.
Но! поскольку время в физическом RTC тоже постепенно «уходит», то его тоже нужно подстраивать, синхронизируя с более точными источниками, например, с серверами в Интернет.
Поэтому, оптимальный алгоритм должен быть такой: если есть возможность, то синхронизируем все часы с серверами в Интернет, если сеть недоступна, то начинаем синхронизировать время в контроллере с модулем RTC, как только появляется сеть — переходим опять на синхронизацию через Интернет.
Если вы находитесь в экстремальных условиях, без доступа к каким-либо источникам синхронизации, то можно вручную время от времени корректировать ход «железных» часов.
Давайте, для примера, рассмотрим функцию синхронизации внутренних часов контроллера и модуля RTC через сеть:
Здесь мы сначала получаем точное время по сети
затем, в случае удачи, устанавливаем его в модуль RTC
а затем уже из этого модуля устанавливаем время контроллера
Виртуальные часы реального времени
Всё бы ничего, но ни у меня, ни у большинства пользователей AMS не было того самого «железного» модуля RTC, поэтому было принято решение сделать «ход конём» и, в качестве временной меры, организовать часы реального времени, работающие внутри системы, без настоящего физического модуля. Что и было с успехом реализовано.
Итак, как организовать виртуальный RTC, без настоящего модуля. Существует замечательная библиотека Time Library которая и выполняет львиную долю работы по обеспечению нас точным временем. Для начала работы с ней, её нужно скачать, разархивировать и поместить на стандартное место всех библиотек среды Arduino, а именно, в папку:
После этого нам становятся доступны все возможности работы со временем, которые она предоставляет.
Установка даты и времени
Первым дела лезем в мануал (он здесь) и ищем там таблицу организации регистров.
Для установки даты и времени нам понадобится регистры с 02h по 08h. Данные в этих регистрах хранятся в двоично – десятичном формате (BCD), поэтому для записи секунд, минут и т.д. сначала реализуем функцию перевода (из десятичного формата в BCD и обратно) а затем командой Wire.write() пишем их в регистры начиная с 02h. Считываем по той же схеме переводя из BCD обратно в десятичную систему, начиная с того же регистра 02h. Как видно из таблицы биты в некоторых регистрах не используются (обозначены буквой x), дабы не нацеплять лишней информации при чтении будем использовать битовую операцию AND (логическое «И») которое обнулит ненужные нам биты. К примеру дни месяца (Days), нам нужны биты с 0 по 5-ый, используя операцию (dayOfMonth&B00111111) обнуляем 6 и 7 бит, все остальное остается нетронутым.
Непосредственно сам код с выводом информации на serial monitor:
Основные функции часов реального времени
- Отсчет времени в реальных единицах : секундах, минутах и часах и ведение календаря, опять же в реальных единицах: днях, месяцах и годах. Некоторые модели также помнят про день недели, переход с летнего времени на зимнее и високосность года
- Хранение даты и времени в отсутствие питания . Чтобы не вводить каждый раз при включении компьютера текущее время, данные о времени обновляются и сохраняются самим RTC.
- Формирование прерываний. Благодаря прерываниям можно автоматически включать компьютер (что просто удобно) или выводить микроконтроллер из спящего режима, когда нужно, например, выполнить измерение или т.п. (что экономит энергию).
- Освобождение вычислительных ресурсов системы. В обычной системе процессор почти всегда занят вычислениями, и "увлекшись", может пропустить несколько тактов и не записать их в переменную, в которой хранится время. Если такое произойдет несколько раз, часы будут отставать :) Компьютеру, а уж тем более МК, гораздо проще "спросить" время у RTC.
Начальный запуск
Но и это ещё не всё. Существует ещё проблема начального запуска, когда модуль RTC только подключён, но время в нём не выставлено и синхронизироваться с ним поэтому нельзя. Нужно каким-то образом выставить в нём правильное время. В Arduino Mega Server существует два способа решения этой проблемы: можно синхронизировать физический RTC через сеть (если доступны сервера точного времени) или при помощи утилиты Arduino Serial Commander.
Для установки времени в модуле RTC достаточно… нажать на кнопку. Всё остальное сделают за вас два молодца по имени Arduino Mega Server и Arduino Serial Commander. Если вы не пользуетесь AMS, а разрабатываете свой собственный проект, можете взять код из дистрибутива Arduino Mega Server (код доступен и полностью свободен) или поискать решение этой проблемы в Интернет (там есть несколько вариантов решения).
Варианты исполнения
Варианты исполнения у часов реального времени весьма разнообразны, бывают отдельные чипы , вроде DS1302 или DS1307, к которым требуется обвес из внешнего кварца и внешнего же аккумулятора.
Конечно же, достаточный набор свойств источника зависит от способа использования в программах. Например, одно устройство может предоставлять низкое разрешение и высокую длительность считывания, но при этом быть энергонезависимым и очень стабильным, а другое позволять измерять очень короткие промежутки времени, но при этом быстро переполняться, да ещё и не быть синхронизированным ни с чем больше.
Заключение
Я надеюсь, что из этой заметки стало понятно, что работа со временем внутри компьютера на системном уровне на самом деле далека от тривиальной. Требования к устройствам, поставляющим время, зависят от решаемой задачи, и не всегда легко найти полностью подходящий вариант. При этом сами устройства зачастую содержат «архитектурные особенности», способные сломать голову несчастному программисту.
Однако это всё архитектурная присказка к симуляционной сказке. На самом деле мне хотелось рассказать о том, как можно моделировать весь этот зоопарк устройств. В следующей статье я опишу, как проявляется капризная природа времени при создании виртуальных окружений — симуляторов и мониторов виртуальных машин. Спасибо за внимание!
Любой поклонник электроники или компьютеров знает, что компьютеры, которые мы используем каждый день, оснащены часы реального времени и что благодаря аккумулятору, встроенному в материнскую плату, часы всегда идут вовремя, даже когда компьютер отключен от сети. ручей. Но вы когда-нибудь задумывались Как это работает и особенно, каково использование ПК с этими внутренними часами?
У внутренних часов реального времени ПК есть утилита, которая выходит далеко за рамки показа времени на панели задач, и это означает, что, как мы буквально объясним ниже, ПК не мог бы работать без них. Почему? Мы сразу же подробно объясним вам это, но в качестве предварительного просмотра мы скажем вам, что без этих часов процессор ПК не знал бы, когда он должен выполнять вычисления.
Версия с поддержкой настоящего RTC
И, конечно, я выражаю признательность компании CHIPSTER за сотрудничество и предоставленное для тестирования и интеграции оборудование (о модуле W5500 и о ускорении сетевой работы AMS я расскажу вам в одной из следующих статей).
Дополнение. Открыт канал на Youtube и вот промо ролик Arduino Mega Server, который демонстрирует работу с реальной системой.
Привет, Хабр. Довелось мне использовать RTC на микросхеме PCF 8563 по I2C.Так как нормальных функции для более удобной работы с Arduino я не нашел, пришлось работать напрямую через I2C. В Англоязычном интернете нашел толковый туториал с подробным описанием процесса. Данная статья является отчасти переводом отчасти собственным опытом работы с этой RTC.
Приятная неожиданность
Я бы ещё долго не занялся интеграцией модулей RTC в систему (хватает и других актуальных задач), но тут, в рамках технологического сотрудничества с нашим проектом, компания CHIPSTER предоставила для тестирования и интеграции в AMS оборудование, среди которого оказались Ethernet модули на чипе W5500 и… модуль часов реального времени на чипе DS3231, что оказалось как нельзя более кстати и послужило толчком для интеграции модулей RTC в систему.
Оказалось, что компания CHIPSTER не только торгует электронным оборудованием, но и разрабатывает собственные изделия для Arduino и автоматизации под торговой маркой Geegrow и имеет большие планы на будущее в этом направлении, в частности, у неё есть проект по выпуску специализированной версии Arduino Mega 2560 с расширенными возможностями и «заточенной» специально под Arduino Mega Server. И, если эта плата будет выпущена, то это будет очень интересное событие. Но вернёмся к часам реального времени.
Как работает RTC на ПК?
Информация о часах реального времени может быть прочитана микропроцессор , обычно через последовательный интерфейс, чтобы программное обеспечение или встроенное ПО могли выполнять функции, зависящие от времени. Процессор синхронизирует системное время с часами реального времени в абсолютном отсчете времени и, не будучи похожим на атомные часы, практически не имеет никаких отклонений, что позволяет процессору выполнять точные вычисления. На изображении выше вы можете увидеть схему работы простого модуля RTC.
RTC обычно подключается к ЦП через Последовательная шина SPI или I2C , и может содержать ряд других функций, таких как резервная память, сторожевой таймер для отслеживания работы процессора или таймеры обратного отсчета для генерировать события в реальном времени . Некоторые RTC включают в себя выходы секундных или минутных прерываний и достаточно умны и автономны, чтобы учесть високосные годы .
Часы реального времени отсчитывают время, отсчитывая циклы генератор , обычно из кристалла кварца и работает на 32.768 кГц . Это позволяет RTC обнаруживать пульсации 50/60 Гц от источника питания или обнаруживать и накапливать переходы от тика устройства GPS. RTC, который делает это, работает как контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), изменяя свое внутреннее опорное значение тактовой частоты, чтобы «синхронизировать» его с внешним сигналом. Если RTC теряет свое внешнее задание, он может снова обнаружить это событие (поскольку ФАПЧ выходит из строя) и работать автономно со своим внутренним генератором.
RTC, работающий по собственной внутренней ссылке, будет интегрировать предел погрешности связаны с абсолютной точностью эталонного кристалла и будут зависеть от ряда условий, в том числе температура . Кристаллы предназначены для работы в диапазоне температур от -10 ° C до 60 ° C, и их точность снижается, если температура отклоняется от этого диапазона.
Некоторые RTC имеют встроенную температурную компенсацию, которая может расширить и повысить точность кварцевого генератора. Кристаллы также стареют, и это меняет их физическую природу, так что со временем они теряют точность. Типичные недорогие кристаллы, используемые в аппаратном обеспечении ПК, имеют допуск по частоте +/- 20 ppm (частей на миллион). Это означает, что кристалл с такой погрешностью может дрейфовать до 72 мс в час или 1.7 секунды в день, поэтому иногда потребуется калибровка.
Процессор, подключенный к RTC, получает обновленное системное время и постоянно записывает это новое значение в RTC, чтобы избежать этих отклонений, то есть CPU постоянно калибрует RTC чтобы всегда быть точным.
В этой статье вы узнаете как Arduino Mega Server работает со временем и как можно создавать проекты на Ардуино, которые имеют привязку к реальному времени, вне зависимости от того, установлен ли в них «железный» RTC-модуль или нет. Все вопросы работы с реальным временем на Ардуино будут подробно разобраны и после прочтения этой статьи вы станете настоящим «мастером часовых дел».
Читайте также: