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精妙的微控制器非阻塞延時程式設計

阿新 • • 發佈：2019-01-17

http://blog.chinaunix.net/uid-29673749-id-4425603.html

  對於每個微控制器愛好者及工程開發設計人員，在剛接觸微控制器的那最初的青蔥歲月裡，都有過點亮跑馬燈的經歷。從看到那一排排小燈按著我們的想法在跳動時激動心情。到隨著經驗越多，越來又會感覺到這個小燈是個好東西，尤其是在除錯資源有限的環境中，有時會幫上大忙。


但對於絕大多數人，我們在最最初讓燈閃爍起來時大約都會用到阻塞延時實現，會像如下程式碼的樣子：
  1. while(1)
  2. {
  3.     LED =OFF;
  4.     Delay_ms(500);
  5.     LED = ON;
  6.     Delay_ms(500)
    ;
  7. }
然後，在我們接觸到定時器，我們會發現，原來用定時中斷來處理會更好。比如我們可以500ms中斷一次，讓燈亮或滅，其餘的時間系統還可以做非常之多的事情，效率一下提升了很多。

這時我們就會慢慢意識到，第一種（阻塞延時）方法效率很低，讓晶片在那兒空執行幾百毫米，什麼也不做，真是莫大的浪費，尤其在晶片頻率較高，任務又很多時，這樣做就像在平坦寬闊的高速公路上挖了一大坑，出現事故可想而知。

但一個微控制器中的定時器畢竟有限，如果我需要幾十個或者更多不同時間的定時中斷，每一個時間到都完成不同的處理動作，如何去做呢。一般我們會想到在一個定時中斷函式中再定義static 變數繼續定時，到了所需時間，做不同的動作。而這樣又會導致在一箇中斷裡做了很多不同的事情，會搶佔主輪詢更多時間，有時甚至喧賓奪主，並也不是很如的思維邏輯。


那麼有沒有更好的方法來實現呢，答案是肯定的。下面介紹我在一個專案中偶遇，一個精妙設計的非阻塞定時延時軟體的設計（此設計主要針對於無作業系統的裸機程式）。

在上篇文章中有對systick的介紹，比如我要設定其10ms中斷一次，如何實現呢？
也很簡單，只需呼叫 core_cm3.h檔案中 SysTick_Config 函式 ，當系統時鐘為72MHZ，則設定成如下即可SysTick_Config（720000 ）; (遞減計數720000次後中斷一次) 。此時SysTick_Handler中斷函式就會10ms進入一次；

任務定時用軟體是如何設計的呢 ？ 
且先看其資料結構，這也是精妙所在之處，在此作自頂向下的介紹：

其定義結構體型別如：
  1. typedef struct
  2. {
  3.     uint8_t Tick10Msec;
  4.     Char_Field Status;
  5. } Timer_Struct;
其中Char_Field 為一聯合體，設計如下：
  1. typedef union
  2. {
  3.     unsigned char byte;
  4.     Timer_Bit field;
  5. } Char_Field
而它內部的Timer_Bit是一個可按位訪問的結構體：
  1. typedef struct
  2. {
  3.     unsigned char bit0: 1;
  4.     unsigned char bit1: 1;
  5.     unsigned char bit2: 1;
  6.     unsigned char bit3: 1;
  7.     unsigned char bit4: 1;
  8.     unsigned char bit5: 1;
  9.     unsigned char bit6: 1;
  10.     unsigned char bit7: 1;
  11. } Timer_Bit
此聯合體的這樣設計的目的將在後面的程式碼中體現出來。
如此結構體的設計就完成了。

然後我們定義的一全域性變數，Timer_Struct  gTimer;

並在標頭檔案中巨集定義如下：
  1. #define bSystem10Msec        gTimer.Status.field.bit0
  2. #define bSystem50Msec        gTimer.Status.field.bit1
  3. #define bSystem100Msec       gTimer.Status.field.bit2
  4. #define bSystem1Sec          gTimer.Status.field.bit3
  5. #define bTemp10Msec          gTimer.Status.field.bit4
  6. #define bTemp50Msec          gTimer.Status.field.bit5
  7. #define bTemp100Msec         gTimer.Status.field.bit6
  8. #define bTemp1Sec            gTimer.Status.field.bit
另外為了後面程式清晰，再定義一狀態指示：
  1. typedef enum
  2. {
  3.     TIMER_RESET = 0,
  4.     TIMER_SET = 1,
  5. } TimerStatus;
至此，準備工作就完成了。下面我們就開始大顯神通了！

首先，10ms定時中斷處理函式如，可以看出，每到達10ms 將把bTemp10Msec置1，每50ms 將把bTemp50Msec 置1，每100ms 將把bTemp100Msec 置1，每1s 將把bTemp1Sec 置1，
  1. void SysTick_Handler(void)
  2. {
  3.         bTemp10Msec = TIMER_SET;
  4.         ++gTimer.Tick10Msec;
  5.         if (0 == (gTimer.Tick10Msec % 5))
  6.         {
  7.             bTemp50Msec = TIMER_SET;
  8.         }
  9.         if (0 == (gTimer.Tick10Msec % 10))
  10.         {
  11.             bTemp100Msec = TIMER_SET;
  12.         }
  13.         if (100 == gTimer.Tick10Msec)
  14.         {
  15.             gTimer.Tick10Msec = 0;
  16.             bTemp1Sec = TIMER_SET;
  17.         }
  18. }
而這又有什麼用呢 ？

這時，我們需在主輪詢while(1)內最開始呼叫一個定時處理函式如下：
  1. void SysTimer _Process(void)
  2. {
  3.     gTimer.Status.byte &= 0xF0;
  4.     if (bTemp10Msec)
  5.     {
  6.         bSystem10Msec = TIMER_SET;
  7.     }
  8.     if (bTemp50Msec)
  9.     {
  10.         bSystem50Msec = TIMER_SET;
  11.     }
  12.     if (bTemp100Msec)
  13.     {
  14.         bSystem100Msec = TIMER_SET;
  15.     }
  16.     if (bTemp1Sec)
  17.     {
  18.         bSystem1Sec = TIMER_SET;
  19.     }
  20.     gTimer.Status.byte &= 0x0F;
  21. }
此函式開頭與結尾兩句
  1. gTimer.Status.byte &= 0xF0;
  2. gTimer.Status.byte &= 0x0F
就分別巧妙的實現了bSystemXXX （低4位） 和 bTempXXX（高4位）的清零工作，不用再等定時到達後還需手動把計數值清零。此處清零工作用到了聯合體中的變數共用一個起始儲存空間的特性。

但要保證while(1)輪詢時間要遠小於10ms，否則將導致定時延時不準確。這樣，在每輪詢一次，就先把bSystemXXX ，再根據bTempXXX判斷是否時間到達，並把對應的bSystemXXX 置1，而後面所有的任務就都可以通過bSystemXXX 來進行定時延時，在最後函式退出時，又會把bTempXXX清零，為下一次時間到達後查詢判斷作好了準備。

說了這麼多，舉例說明一下如何應用：
  1. void Task_A_Processing(void)
  2. {
  3.     if(TIMER_SET == bSystem50Msec){
  4.         //do something
  5.     }
  6. }
  7. void Task_B_Processing(void)
  8. {
  9.     if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
  10.         //do something
  11.     }
  12. }
  13. void Task_C_Processing(void)
  14. {
  15.     static uint8_t ticks = 0;
  16.     if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
  17.        ticks ++ ;
  18.     }
  19.     if(5 == ticks){
  20.         ticks = 0;
  21.          //do something
  22.     }
  23. }
  24. void Task_D_Processing(void)
  25. {
  26.     if(TIMER_SET == bSystem1Sec){
  27.         //do something
  28.     }
  29. }
以上示例四個任務程序，

在主輪詢裡可進行如下處理：
  1. int main(void)
  2. {
  3.     while(1)
  4.     {
  5.         SysTimer _Process();
  6.         Task_A_Processing();
  7.         Task_B_Processing();
  8.         Task_C_Processing();
  9.         Task_D_Processing();
  10.     }
  11. }
這樣，就可以輕鬆且清晰實現了多個任務，不同時間內處理不同事件。（但注意，每個任務處理中不要有阻塞延時，也不要處理過多的事情，以致處理時間較長。可設計成狀態機來處理不同任務。）

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