计算机和微控制器之间的最低延迟通信方法是什么？答案

【问题标题】：What is the lowest latency communication method between a computer and a microcontroller?计算机和微控制器之间的最低延迟通信方法是什么？
【发布时间】：2020-03-19 17:24:04
【问题描述】：

我有一个项目，我需要在计算机（Windows + Linux + MacOSX）和微控制器（arduino 或 stm32 或其他任何东西）之间进行通信的尽可能低的延迟（最好在 1-100 微秒范围内） )。

我强调它不仅要快，而且要低延迟（例如，与月球的快速通信将具有低延迟）。

目前我尝试的方法是通过 USB 串行或通过 USB 进行 HID 数据包。我得到的结果大约不到一毫秒。我的测量方法是往返通信，然后除以二。这没关系，但我会更高兴有更快的东西。

编辑：这个问题似乎很难回答。我发现最好的解决方法是同步计算机和微控制器的时钟。同步确实需要通信。通过下面的过程，dt 是半个往返，sync 是时钟之间的差。

t = time()
write(ACK);
read(remotet)
dt = (time() - t) / 2
sync = time() - remotet - dt

请注意，此同步的不精确性最多为dt。最快的通信渠道很重要，但我对精度有一个估计。

还要注意与不同系统上时间戳差异相关的技术细节（基于 Linux 上的 epoch 的 us/ms，自 Arduino 上启动 MCU 以来的 ms/us）。

注意 Arduino 上的时钟偏移。经常同步会更安全（在我的例子中是每项措施）。

标签： arduino microcontroller stm32

【解决方案1】：

USB Raw HID 具有 8KHz 轮询速率（125us 轮询间隔）与 Teensy 3.2（或更高版本）相结合。 Mouse overclockers 实现了 8KHz 的轮询率和低 USB 抖动，而 Teensy 3.2（Arduino 克隆）能够在 PC 端使用slightly modified USB FTDI driver 实现 8KHz 的轮询率。

除此之外，您还需要更好的方法，您现在正在研究 PCI-Express 并行端口，通过数字引脚直接向并行端口上的引脚发送低延迟信号。它们必须是真正的并行端口，而不是通过 USB 层。千兆赫级 PC 上的 DOS 应用程序经过测试，可通过并行端口引脚信号获得低于 1us 的能力（1.4Ghz Pentium IV），但如果您编写虚拟设备驱动程序，您可能在 Windows 中获得低于 100us 的能力。

使用 wazoo 中提高的优先级和关键部分，最好是非垃圾收集语言，最少的后台应用程序，并且在关键循环上基本上消耗 100% 的 CPU 内核，并且您绝对可以可靠地实现

【讨论】：

【解决方案2】：

要回答这个问题，有两种低延迟方法：

串行或并行端口。尽管您的性能可能因制造商而异，但可以将延迟降低到毫秒级。 Brainboxes 是一个不错的品牌，尽管他们的卡可能花费超过 100 美元！
编写您自己的驱动程序。应该可以实现几百微秒的延迟，尽管如果内核需要提供更高优先级的服务，显然可以中途中断您的进程。这就是许多科学设备实际工作的方式。（而且很多人告诉你不能让 PC 在很短的期限内工作是错误的）。

【讨论】：

写我自己的驱动是为了什么？ USB？我们在项目中使用 USB 上的原始 HID，因为它几乎可以在任何平台上使用而无需硬件修改。我们在毫秒左右得到一些东西。我们希望我们有更小的东西，但这很好。你说的科学设备是什么意思？我们确实有“科学设备”（我们是实验室）。尤其是力反馈装置。通常他们使用并行端口（消失）火线（罕见）或以太网。
物理接口不相关。其中任何一个都可以快速触发。但是您很可能需要编写自己的驱动程序。或者，我相信 Jungo Connectivity 提供商业产品。
通过科学设备，我的意思是我知道一些硬件设备在一些帖子（这里和其他地方）声称是不可能的时间窗口内运行。

【解决方案3】：

关于信息，我刚刚在装有两个专用 PCIe 并行端口卡的 Windows 10 PC 上运行了一些测试。

使用 Python 代码（实际上使用 Psychopy Builder 和 Psychopy 编码器）发送 TTL（方波）脉冲，2 通道示波器显示 4us 到 8us 的两个脉冲之间的偏移非常一致。

这是 Python 代码以 '高于正常' 优先级运行的时候。当以正常优先级运行时，除了非常偶尔的 30us 间隙（大概是在任务切换发生时）之外，它几乎是相同的）

【讨论】：

这不会像 OP 想要的那样测量延迟，它会测量抖动。据我所知，两张 PCIe 卡可能会有一致的 100 毫秒延迟，您会得到相同的结果。这就是 OP 测量往返的原因
你是对的，虽然我为我辩护说“供参考”，我认为这对这个话题很感兴趣。 Windows NT 内核处理实际端口的接口。 W10 中的 AFAIK，您无法直接访问并行端口之类的东西。

【解决方案4】：

简而言之，PC 无法处理这么短的截止日期。即使在英特尔酷睿系列处理器上使用裸机 RTOS，您最终也会遇到 2-3 µS 范围内的中断延迟（处理器响应中断的速度）。（见http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/industrial-solutions-real-time-performance-white-paper.pdf）

这忽略了任何类型的通信链路，如 USB 或以太网（或其他），需要对数据进行分组、握手、缓冲以避免数据丢失等。

无论链接速度有多快，USB 堆栈都会有延迟，因为它有缓冲以避免数据丢失。与以太网相同。实际上，由于系统中正在发生的其他事情以及对协议稳健性的需求，任何成熟操作系统上的现代堆栈驱动程序都不具备低延迟的能力。

如果您的截止日期在个位数微秒内（甚至在毫秒范围内），您确实需要在微控制器上进行实时处理，并让主机处理较慢的控制循环/可视化。

【讨论】：

这是一个有趣的观点。但是我可以承受几十微秒。问题更多是关于识别具有最低延迟的通信通道，并估计此延迟。在我的上下文中，我需要它来测量延迟超过数十毫秒的系统的延迟。对于此测量，我需要这种快速通信，并确保其延迟部分可以忽略。

【解决方案5】：

没有real time operating system，您无法保证到userland的延迟。你受内核的支配，它是slice time 和抢占规则。这可能高于您的最大 100us。

为了让工作站响应硬件事件，您必须使用中断和设备驱动程序。您的选择仅限于提供IRQ 的接口：

硬件串行/并行端口。
PCI
PCI 上的一些接口桥。

或者。如果你想滥用 IO，那就是声卡。

USB 不是其中之一，它的轮询速率为 1kHz。也许 Thunderbolt 可以，但我不确定。

【讨论】：

【解决方案6】：

以太网

寻找具有直接连接到微控制器的千兆以太网端口的板，并使用交叉电缆将其直接连接到 PC。

【讨论】：

不要将速度或带宽与延迟混淆。 OP正在谈论微秒。在微秒内，您可以轻松切换一些 gpio，不太容易让以太网控制器发送数据包。
以太网是一种选择，如果我可以在尽可能低的级别进行通信。我可以尝试使用 UDP。不过@linuxfan 是对的，这与带宽无关，而是延迟。
@Tom：可能的最低级别是扔掉操作系统，与网卡对话。是你想要的吗？否则，您应该尝试绕过 IP 层，使用带有 MAC 地址而不是 UDP 的原始套接字，从而避免 ARP 查找。
@Tom 考虑将通信一分为二。一个通道承载所需的数据，另一个（gpio，串行接口的 CTS 信号等）是低延迟信号，它只生成时间戳，甚至可以在它引用的数据之前。
@linuxfan：我相信这是具有最低延迟的通信形式，可以合理地预期可以在任何 PC 上运行。没有人有更好的工作想法。