在没有竞争条件的情况下通过缓冲区将数据写入 SD 卡

Question

我正在为数据记录设备编写固件。它以 20 Hz 的频率从传感器读取数据并将数据写入 SD 卡。但是，将数据写入 SD 卡的时间并不一致（大约 200-300 毫秒）。因此，一种解决方案是以一致的速率将数据写入缓冲区（使用定时器中断），并在缓冲区已满时使用第二个线程将数据写入 SD 卡。

这是我的幼稚实现：

#define N 64
char buffer[N];
int count;

ISR() {
    if (count < N) {
        char a = analogRead(A0);
        buffer[count] = a;
        count = count + 1;
    }
}

void loop() {
    if (count == N) {
        myFile.open("data.csv", FILE_WRITE);

        int i = 0;
        for (i = 0; i < N; i++) {
            myFile.print(buffer[i]);
        }
        myFile.close();
        count = 0;
    }
}

代码存在以下问题：

1. 当缓冲区已满时，向 SD 卡写入数据会阻塞读取
2. 它可能有竞争条件。

解决此问题的最佳方法是什么？使用循环缓冲区还是双缓冲？如何确保不会发生竞态条件？

Answer 1

您已经回答了自己的问题；您应该使用双缓冲或循环缓冲区。双缓冲可能更易于实现，并且适用于 SD 卡等通常块写入效率更高的设备。

缓冲区长度的选择可能需要一些考虑；通常你会使缓冲区与 SD 扇区缓冲区大小相同（通常为 512 字节），但这可能不切实际，并且在采样率低至 20 sps 的情况下，优化 SD 写入性能可能不是问题。

另一个考虑因素是您需要通过选择适当的缓冲区大小来使采样率与文件系统延迟相匹配。在这种情况下，64 个样本缓冲区缓冲区将在 3 秒多一点的时间内填满，但块写入最多只需要 300 毫秒 - 因此如果需要，您可以使用更小的缓冲区 - 8 个样本就足够了 - 尽管要小心，您可能已经观察到 300 毫秒的延迟，但是当物理闪存中跨越特定边界时，延迟可能会更大 - 我已经看到某些卡在 1 MB 边界上存在明显的延迟 - 此外，卡的性能因尺寸和制造商而异。

下面是对双缓冲实现的改编。我已将缓冲区长度减少到 32 个样本，但使用双缓冲后，总数不变为 64，但写入延迟减少到 1.6 秒。

// Double buffer and its management data/constants
static volatile char buffer[2][32];
static const int BUFFLEN = sizeof(buffer[0]);
static const unsigned char EMPTY = 0xff;
static volatile unsigned char inbuffer = 0;
static volatile unsigned char outbuffer = EMPTY;

ISR()
{
    static int count = 0;

    // Write to current buffer
    char a = analogRead(A0);
    buffer[inbuffer][count] = a;
    count++ ;

    // If buffer full...
    if( count >= BUFFLEN )
    {
        // Signal to loop() that data available (not EMPTY)
        outbuffer = inbuffer;

        // Toggle input buffer
        inbuffer = inbuffer == 0 ? 1 : 0;
        count = 0;
    }
}

void loop()
{
    // If buffer available...
    if( outbuffer != EMPTY )
    {
        // Write buffer
        myFile.open("data.csv", FILE_WRITE);
        for( int i = 0; i < BUFFLEN; i++)
        {
            myFile.print(buffer[outbuffer][i]);
        }
        myFile.close();

        // Set the buffer to empty
        outbuffer = EMPTY;
    }
}

注意volatile 和unsigned char 用于共享数据。重要的是并发执行上下文之间共享的数据被显式地原子地访问；访问基于 8 位 AVR 的 Arduino 上的int 需要多个机器指令，并且中断可能在loop() 的读/写过程中发生，并导致读取不正确的值。