オーバーラン

プログラムを次のように書いた場合:

#![no_main]
#![no_std]

#[allow(unused_imports)]
use aux11::{entry, iprint, iprintln};

#[entry]
fn main() -> ! {
    let (usart1, _mono_timer, _itm) = aux11::init();

    // Send a string
    for byte in b"The quick brown fox jumps over the lazy dog.".iter() {
        usart1
            .tdr
            .write(|w| w.tdr().bits(u16::from(*byte)));
    }

    loop {}
}

おそらく、デバッグモードでコンパイルしたプログラムを実行すると、コンピューター上では次のようなものが表示されたはずです。

$ # minicom の端末
(..)
The uic brwn oxjums oer helaz do.

そして、リリースモードでコンパイルした場合は、おそらく次のようなものしか得られなかったはずです:

$ # minicom の端末
(..)
T

何が問題だったのでしょうか?

ご存じのとおり、バイトを配線越しに送信するには比較的長い時間がかかります。計算はすでに済ませてあるので、ここでは以前の説明を引用します:

1 スタートビット、8 データビット、1 ストップビット、ボーレート 115200 bps という一般的な構成では、理論上は 1 秒あたり 11,520 フレームを送信できます。各フレームは 1 バイトのデータを運ぶので、その結果、データレートは 11.52 KB/s になります

このパングラムの長さは 45 バイトです。つまり、文字列を送信するには少なくとも 3,900 マイクロ秒（45 bytes / (11,520 bytes/s) = 3,906 us）かかることになります。プロセッサは 8 MHz で動作しており、 1 命令の実行には 125 ナノ秒しかかからないため、for ループは 3,900 マイクロ秒より短い時間で完了する可能性が高いです。

実際に、for ループの実行にどれくらい時間がかかるかを計測できます。aux11::init() は MonoTimer（単調タイマー）値を返し、std::time のものに似た Instant API を公開しています。

#![deny(unsafe_code)]
#![no_main]
#![no_std]

#[allow(unused_imports)]
use aux11::{entry, iprint, iprintln};

#[entry]
fn main() -> ! {
    let (usart1, mono_timer, mut itm) = aux11::init();

    let instant = mono_timer.now();
    // Send a string
    for byte in b"The quick brown fox jumps over the lazy dog.".iter() {
        usart1.tdr.write(|w| w.tdr().bits(u16::from(*byte)));
    }
    let elapsed = instant.elapsed(); // in ticks

    iprintln!(
        &mut itm.stim[0],
        "`for` loop took {} ticks ({} us)",
        elapsed,
        elapsed as f32 / mono_timer.frequency().0 as f32 * 1e6
    );

    loop {}
}

デバッグモードでは、私の環境では次のようになります:

$ # itmdump 端末
(..)
`for` loop took 22415 ticks (2801.875 us)

これは 3,900 マイクロ秒未満ですが、それほど大きく離れているわけではありません。そのため、失われる情報は数バイトだけで済みます。

要するに、プロセッサはハードウェアが実際に処理できる速度よりも速いレートでバイトを送信しようとしており、その結果データ損失が発生しています。この状態はバッファ オーバーラン と呼ばれます。

これをどう回避すればよいでしょうか? ステータスレジスタ（ISR）には TXE というフラグがあり、データ損失を起こさずに TDR レジスタへ書き込んでも「安全」かどうかを示します。

これを使ってプロセッサを減速させましょう。

#![no_main]
#![no_std]

#[allow(unused_imports)]
use aux11::{entry, iprint, iprintln};

#[entry]
fn main() -> ! {
    let (usart1, mono_timer, mut itm) = aux11::init();

    let instant = mono_timer.now();
    // Send a string
    for byte in b"The quick brown fox jumps over the lazy dog.".iter() {
        // wait until it's safe to write to TDR
        while usart1.isr.read().txe().bit_is_clear() {} // <- NEW!

        usart1
            .tdr
            .write(|w| w.tdr().bits(u16::from(*byte)));
    }
    let elapsed = instant.elapsed(); // in ticks

    iprintln!(
        &mut itm.stim[0],
        "`for` loop took {} ticks ({} us)",
        elapsed,
        elapsed as f32 / mono_timer.frequency().0 as f32 * 1e6
    );

    loop {}
}

今回は、デバッグモードでもリリースモードでも、プログラムを実行すると受信側では完全な文字列が得られるはずです。

$ # minicom/PuTTY のコンソール
(..)
The quick brown fox jumps over the lazy dog.

また、for ループのタイミングも理論値である 3,900 マイクロ秒に近くなるはずです。以下のタイミングはデバッグ版のものです。

$ # itmdump 端末
(..)
`for` loop took 30499 ticks (3812.375 us)

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