精妙的单片机非阻塞延时程序设计

时间：2022-04-28 19:52:42

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  对于每个单片机爱好者及工程开发设计人员，在刚接触单片机的那最初的青葱岁月里，都有过点亮跑马灯的经历。从看到那一排排小灯按着我们的想法在跳动时激动心情。到随着经验越多，越来又会感觉到这个小灯是个好东西，尤其是在调试资源有限的环境中，有时会帮上大忙。


但对于绝大多数人，我们在最最初让灯闪烁起来时大约都会用到阻塞延时实现，会像如下代码的样子：
  1. while(1)
  2. {
  3.     LED =OFF;
  4.     Delay_ms(500);
  5.     LED = ON;
  6.     Delay_ms(500);
  7. }
然后，在我们接触到定时器，我们会发现，原来用定时中断来处理会更好。比如我们可以500ms中断一次，让灯亮或灭，其余的时间系统还可以做非常之多的事情，效率一下提升了很多。

这时我们就会慢慢意识到，第一种（阻塞延时）方法效率很低，让芯片在那儿空运行几百毫米，什么也不做，真是莫大的浪费，尤其在芯片频率较高，任务又很多时，这样做就像在平坦宽阔的高速公路上挖了一大坑，出现事故可想而知。

但一个单片机中的定时器毕竟有限，如果我需要几十个或者更多不同时间的定时中断，每一个时间到都完成不同的处理动作，如何去做呢。一般我们会想到在一个定时中断函数中再定义static 变量继续定时，到了所需时间，做不同的动作。而这样又会导致在一个中断里做了很多不同的事情，会抢占主轮询更多时间，有时甚至喧宾夺主，并也不是很如的思维逻辑。

那么有没有更好的方法来实现呢，答案是肯定的。下面介绍我在一个项目中偶遇，一个精妙设计的非阻塞定时延时软件的设计（此设计主要针对于无操作系统的裸机程序）。

在上篇文章中有对 systick的介绍，比如我要设置其10ms中断一次，如何实现呢？
也很简单，只需调用  core_cm3.h文件中 SysTick_Config 函数 ，当系统时钟为72MHZ，则设置成如下 即可   SysTick_Config（720000 ）; (递减计数720000次后中断一次) 。此时SysTick_Handler中断函数就会10ms进入一次；

任务定时用软件是如何设计的呢 ？ 
且先看其数据结构，这也是精妙所在之处，在此作自顶向下的介绍：

其定义结构体类型如：
  1. typedef struct
  2. {
  3.     uint8_t Tick10Msec;
  4.     Char_Field Status;
  5. } Timer_Struct;
其中Char_Field 为一联合体，设计如下：
  1. typedef union
  2. {
  3.     unsigned char byte;
  4.     Timer_Bit field;
  5. } Char_Field
而它内部的Timer_Bit是一个可按位访问的结构体：
  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
此联合体的这样设计的目的将在后面的代码中体现出来。
如此结构体的设计就完成了。

然后我们定义的一全局变量，Timer_Struct  gTimer;

并在头文件中宏定义如下：
  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
另外为了后面程序清晰，再定义一状态指示：
  1. typedef enum
  2. {
  3.     TIMER_RESET = 0,
  4.     TIMER_SET = 1,
  5. } TimerStatus;
至此，准备工作就完成了。下面我们就开始大显神通了！

首先，10ms定时中断处理函数如，可以看出，每到达10ms 将把 bTemp10Msec置1， 每50ms 将把 bTemp50Msec  置1， 每100ms 将把 bTemp100Msec  置1， 每1s 将把 bTemp1Sec  置1，
  1. void SysTick_Handler(void)
  2. {
  3.          
  4.         bTemp10Msec = TIMER_SET;
  5.         
  6.         ++gTimer.Tick10Msec;
  7.         if (0 == (gTimer.Tick10Msec % 5))
  8.         {
  9.             bTemp50Msec = TIMER_SET;
  10.         }
  11.         
  12.         if (0 == (gTimer.Tick10Msec % 10))
  13.         {
  14.             bTemp100Msec = TIMER_SET;
  15.         }
  16.         
  17.         if (100 == gTimer.Tick10Msec)
  18.         {
  19.             gTimer.Tick10Msec = 0;
  20.             bTemp1Sec = TIMER_SET;
  21.         }
  22. }
而这又有什么用呢 ？

这时，我们需在主轮询while(1)内最开始调用一个定时处理函数如下：
  1. void SysTimer _Process(void)
  2. {
  3.     gTimer.Status.byte &= 0xF0;
  4.     
  5.     if (bTemp10Msec)
  6.     {
  7.         bSystem10Msec = TIMER_SET;
  8.     }
  9.     
  10.     if (bTemp50Msec)
  11.     {
  12.         bSystem50Msec = TIMER_SET;
  13.     }
  14.     
  15.     if (bTemp100Msec)
  16.     {
  17.         bSystem100Msec = TIMER_SET;
  18.     }
  19.     
  20.     if (bTemp1Sec)
  21.     {
  22.         bSystem1Sec = TIMER_SET;
  23.     }
  24.     
  25.     gTimer.Status.byte &= 0x0F;
  26. }
此函数开头与结尾两句
  1. gTimer.Status.byte &= 0xF0;
  2. gTimer.Status.byte &= 0x0F
就分别巧妙的实现了bSystemXXX （低4位） 和 bTempXXX （高4位）的清零工作，不用再等定时到达后还需手动把计数值 清零。此处 清零工作用到了联合体中的变量共用一个起始存储空间的特性。

但要保证while(1)轮询时间要远小于10ms，否则将导致定时延时不准确。这样，在每 轮询一次，就先把 bSystemXXX ，再根据 bTempXXX判断是否时间到达，并把对应的 bSystemXXX 置1，而后面所有的任务就都可以通过bSystemXXX 来进行定时延时，在最后函数退出时，又会把 bTempXXX清零，为下一次时间到达后查询判断作好了准备。

说了这么多，举例说明一下如何应用：
  1. void Task_A_Processing(void)
  2. {
  3.     if(TIMER_SET == bSystem50Msec){
  4.         //do something
  5.     }
  6. }

  8. void Task_B_Processing(void)
  9. {
  10.     if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
  11.         //do something
  12.     }
  13. }

  15. void Task_C_Processing(void)
  16. {
  17.     static uint8_t ticks = 0;
  18.     if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
  19.        ticks ++ ;
  20.     }

  22.     if(5 == ticks){
  23.         ticks = 0;
  24.          //do something
  25.     }

  27. }

  29. void Task_D_Processing(void)
  30. {
  31.     if(TIMER_SET == bSystem1Sec){
  32.         //do something
  33.     }
  34. }
以上示例四个任务进程，

在主轮询里可进行如下处理：
  1. int main(void)
  2. {
  3.     while(1)
  4.     {
  5.         SysTimer _Process();

  7.         Task_A_Processing();
  8.         Task_B_Processing();
  9.         Task_C_Processing();
  10.         Task_D_Processing();

  12.     }
  13. }
这样，就可以轻松且清晰实现了多个任务，不同时间内处理不同事件。（但注意，每个任务处理中不要有阻塞延时，也不要处理过多的事情，以致处理时间较长。可设计成状态机来处理不同任务。）
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