高精度 Sleep() 在工業通訊的應用

以 Modbus RTU 通訊時，兩個 Frame 必須至少間隔 3.5 char 的時間：

以常用的 9600bps, n81 來說 (none parity, 8 data bits, 1 stop bit)，換算的結果是：

不過在 Windows 下，以筆者平常使用的 Windows 7 家用版為例，Sleep() 的精度並不理想 。

以前面的 3.65ms 為例，因為 Sleep() 只接受整數、單位為 ms， 3.65ms 四捨五入就是 Sleep(4)。測試程式如下：

#include <Windows.h>
#include <mmsystem.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
 LARGE_INTEGER frequency; // ticks per second
 LARGE_INTEGER t1, t2;    // ticks
           // get ticks per second
 double elapsedTime;
 
 QueryPerformanceFrequency(&frequency);
 QueryPerformanceCounter(&t1);
 Sleep(4);
 QueryPerformanceCounter(&t2);
 elapsedTime = (t2.QuadPart - t1.QuadPart) * 1000.0 / frequency.QuadPart;
 printf("%f ms\n", elapsedTime);
    return 0;
}

輸出結果：

由上圖可知擺蕩的很厲害。這對想要盡量拉高串口通訊速度、或是對 Modbus RTU device 做精密測試的人來說根本不適用。

某天同事 Willy 先生發現 Google Chrome 打開時 Sleep() 突然會變得很精準(最近我發現 VMWare 打開也會)，當下我們就把 Chrome source code 下載回來，原來他是做了這些手腳：

#include <Windows.h>
#include <mmsystem.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
 LARGE_INTEGER frequency;        // ticks per second
 LARGE_INTEGER t1, t2;           // ticks
         // get ticks per second
 double elapsedTime;
 
 timeBeginPeriod(1); 
 QueryPerformanceFrequency(&frequency);
 QueryPerformanceCounter(&t1);
 Sleep(4);
 QueryPerformanceCounter(&t2);
 elapsedTime = (t2.QuadPart - t1.QuadPart) * 1000.0 / frequency.QuadPart;
 printf("%f ms\n", elapsedTime);
    timeEndPeriod(1);
    return 0;
}

但測試下去發現 Sleep() 還是一樣會飄：

先延遲 100ms 就沒有這個問題了(似乎不會馬上致能)：

#include <Windows.h>
#include <mmsystem.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
 LARGE_INTEGER frequency;        // ticks per second
 LARGE_INTEGER t1, t2;           // ticks
         // get ticks per second
 double elapsedTime;
 
 timeBeginPeriod(1); 
 Sleep(100);
 QueryPerformanceFrequency(&frequency);
 QueryPerformanceCounter(&t1);
 Sleep(4);
 QueryPerformanceCounter(&t2);
 elapsedTime = (t2.QuadPart - t1.QuadPart) * 1000.0 / frequency.QuadPart;
 printf("%f ms\n", elapsedTime);
    timeEndPeriod(1);
    return 0;
}

輸出結果：

至於 Linux，可以參考這篇。

除此之外還有哪些應用？像是建築自動化使用的 BACnet MS/TP protocol 就要求至少要有 5ms 的精度，西門子 S7-200 PLC 如果沒有在對的時間送出封包，則根本不會理你。

有心的讀者應該會發現這篇沒提到 Overlapped IO，有興趣的朋友可以參考 libevent，libevent 使用 heap 管理 timer/timeout，multiplexing IO 處理這一塊並非易事。

另外筆者在網路上發現有人寫了一個 nanosleep for Windows，不過測試起來的效果比本篇的方法還差。

也難怪 Linux 在嵌入式、IoT 把 Windows 壓著打，連這些基本需求都沒滿足...

Deterministic

為什麼要這麼龜毛，差一點不行嗎？通常這種對 timing 有嚴格要求的 RS232/422/485 protocol 稱為 deterministic protocol。

deterministic 中文翻譯為「決定性」、「確定性」。可以想成緊密嵌合的齒輪，當齒輪連動時，每個齒輪轉多少度、幾圈、位置都是可預測的。

回到通訊這邊來，可類比的東西就是 clock，但 RS232/422/485 屬於非同步傳輸，要模擬出這種效果，就只有靠精準的 delay、timeout。

可能還是會有人覺得...frame 送得快送得慢也沒差，反正對方收得到就好！？

Modbus 最早是 Modicon 發展出來，Modicon 的本業是 PLC，PLC 通常用來控制機械設備。設想如果 PLC (Modbus slave)收到命令做一個動作，而 Modbus Master 不是用固定、穩定的間隔傳送命令，不用說大家也猜得到，因為誤差傳撥，這個機械設備動起來一定會怪怪的。

講個實際案例，很多機械設備上都有「寸動(jog)」這種功能，簡單來說就是按個按鈕，馬達可能要轉一度，前進一小格...因為每台機械設備生產出來都會有些微誤差，或是使用久了要人工調整。

如果今天您沒有把「deterministic」放在心裡，那客戶在使用寸動調整時就會抓狂，覺得怎麼這麼難調整，忽快忽慢的，what the fuck！？

林伸茂老師很久前講過一句名言：

「學軟體的人沒有時序的觀念，學電子的人沒有重量的觀念」

時至今日，小弟才想通，過去幾年做 HMI/SCADA 時客戶的痛點在哪，可惜啊~