跳转至

说明

概述

架构2实现了 DMA + 双缓冲（乒乓缓冲区）模式，用于高频实时传感器数据采集和处理。该架构针对高采样频率（0.1 - 10000 Hz，推荐：1 kHz - 10 kHz）进行了优化，通过 DMA 辅助的 SPI 传输提供低 CPU 使用率。

架构原理

DMA + 双缓冲模式

该架构使用乒乓（双缓冲）机制：

  • 缓冲区 A 和 B：两个独立的缓冲区，在采集和处理之间交替
  • Producer 任务：填充一个缓冲区，同时 Consumer 处理另一个
  • Consumer 任务：处理已填充的缓冲区，同时 Producer 填充另一个
  • 并行操作：采集和处理可以在时间上重叠
  • DMA 支持：SPI 传输自动使用 DMA，减少 CPU 负载

关键设计决策

  1. 双缓冲（乒乓）：两个缓冲区允许并行采集和处理
  2. 缓冲区切换：当一个缓冲区满时，Producer 切换到另一个缓冲区
  3. 信号量通知：二进制信号量通知 Consumer 缓冲区已就绪
  4. 互斥锁保护：每个缓冲区有自己的互斥锁用于线程安全访问
  5. DMA 自动：ESP-IDF SPI 驱动自动使用 DMA 进行传输

实现细节

基于定时器的采样

  • ESP 定时器：创建周期定时器，周期 = 1,000,000 / sampling_frequency_hz 微秒
  • 定时器回调：在定时器上下文中执行，通过 xTaskNotify 通知 Producer 任务
  • 立即首次采样：在启动周期定时器之前执行一次采样

Producer 任务

优先级：10（高优先级，用于及时采集）

功能：

  1. 通过 xTaskNotifyWait 等待定时器通知
  2. 读取传感器数据（DMA 自动处理 SPI 传输）
  3. 准备带时间戳的样本结构
  4. 在互斥锁保护下写入活动缓冲区（A 或 B）
  5. 当缓冲区满时：
  6. 标记缓冲区为就绪
  7. 切换到另一个缓冲区
  8. 通过信号量通知 Consumer
  9. 重置写索引
  10. 更新采集统计

缓冲区管理：

  • 跟踪活动缓冲区（0 = A，1 = B）
  • 顺序写入活动缓冲区
  • 缓冲区满时切换缓冲区
  • 如果 Consumer 未及时处理，检测覆盖

Consumer 任务

优先级：8（高优先级，用于处理）

功能：

  1. 等待缓冲区就绪信号量（A 或 B）
  2. 获取就绪缓冲区的互斥锁
  3. 处理缓冲区中的所有样本
  4. 标记缓冲区为已处理并重置就绪标志
  5. 更新处理统计
  6. 输出结果（串口、MQTT、LCD）

处理逻辑：

  • 处理整个缓冲区（所有样本）
  • 执行特征提取、检测等
  • 处理带 LCD 反馈的加速度检测
  • 如果启用，通过串口输出第一个样本

双缓冲机制

缓冲区大小：每个缓冲区 512 样本（可通过 RT_DMA_DB_BUFFER_SIZE 配置）

内存：两个缓冲区都从 PSRAM 分配

同步：

  • 每个缓冲区的互斥锁（保护写/读访问）
  • 每个缓冲区的二进制信号量（信号表示就绪）
  • 用于缓冲区就绪状态的易失性标志

操作流程：

  1. Producer 填充缓冲区 A
  2. 当缓冲区 A 满时，Producer 切换到缓冲区 B 并通知 Consumer
  3. Consumer 处理缓冲区 A，同时 Producer 填充缓冲区 B
  4. 当缓冲区 B 满时，Producer 切换到缓冲区 A 并通知 Consumer
  5. Consumer 处理缓冲区 B，同时 Producer 填充缓冲区 A
  6. 循环重复

双缓冲

图：双缓冲（乒乓缓冲）机制示意图，显示并行采集和处理

DMA 支持

  • 自动 DMA：ESP-IDF SPI 驱动自动使用 DMA 进行传输
  • CPU 减少：DMA 处理数据传输，释放 CPU 用于其他任务
  • 非阻塞：使用 DMA 的 SPI 操作是非阻塞的

数据流

ESP 定时器 → 定时器回调 → xTaskNotify → Producer 任务（Core 0/1）
                                              ↓
                                    读取传感器（SPI + DMA）
                                              ↓
                                    活动缓冲区（A 或 B）
                                              ↓
                                    缓冲区满 → 切换缓冲区
                                              ↓
                                    信号量信号 → Consumer 任务
                                              ↓
                                    处理缓冲区
                                              ↓
                          ┌───────────────────┴───────────────────┐
                          ↓                   ↓                    ↓
                       串口                MQTT                  LCD

配置

默认配置

#define RT_DMA_DB_BUFFER_SIZE 512
#define RT_DMA_DB_PRODUCER_PRIORITY 10
#define RT_DMA_DB_CONSUMER_PRIORITY 8
#define RT_DMA_DB_PRODUCER_STACK_SIZE 4096
#define RT_DMA_DB_CONSUMER_STACK_SIZE 8192

配置参数

  • 采样频率：0.1 - 10000 Hz（初始化时验证）
  • 缓冲区大小：每个缓冲区 512 样本（编译时固定）
  • 总内存：512 × 2 × 32 字节 = 32 KB，来自 PSRAM

功能特性

优势

  • 低 CPU 使用率：DMA 自动处理 SPI 传输
  • 高吞吐量：并行采集和处理
  • 适用于高频：针对 1 kHz - 10 kHz 范围优化
  • 真正并行：Producer 和 Consumer 可以同时运行
  • 无队列开销：直接缓冲区访问，无队列管理

限制

  • 内存使用较高：需要两个大缓冲区（双倍内存）
  • 固定缓冲区大小：缓冲区大小在编译时固定
  • 缓冲区覆盖风险：如果 Consumer 无法跟上，缓冲区可能被覆盖

性能特征

适用频率范围

  • 有效范围：0.1 - 10000 Hz（初始化时验证）
  • 推荐：1 kHz - 10 kHz
  • 最大：最高 10 kHz（验证限制）
  • 最小：0.1 Hz（实际限制）

资源使用

  • 内存：两个缓冲区（512 样本 × 2 × 32 字节 = 32 KB，来自 PSRAM）
  • CPU：低使用率（DMA 处理传输）
  • 同步：两个互斥锁和两个二进制信号量

使用注意事项

  1. 初始化顺序：必须在 arch_dma_db_set_sensor_handle() 之前调用 arch_dma_db_init()
  2. 传感器句柄：启动前必须设置
  3. 缓冲区监控：监控统计中的 overwrite_count 以检测 Consumer 是否落后
  4. 处理延迟：处理延迟取决于缓冲区填充时间（buffer_size / sampling_frequency）
  5. DMA 配置：确保在 ESP-IDF 配置中启用了 SPI DMA

错误处理

  • 互斥锁超时：如果无法在 10ms 内获取互斥锁，Producer 丢弃样本
  • 缓冲区未初始化：如果缓冲区未就绪，丢弃样本
  • 传感器读取失败：记录日志但不停止处理
  • 任务创建失败：返回错误，清理资源

线程安全

  • 互斥锁保护：每个缓冲区有自己的互斥锁用于线程安全访问
  • 任务隔离：Producer 和 Consumer 任务正确隔离
  • 信号量通知：二进制信号量提供安全的任务间通信
  • 统计：在互斥锁保护的部分内原子更新