单片机非阻塞延时程序设计

只看该作者 · 2016-7-9 15:22

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. }
8.
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**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. }
7.
8. void Task_B_Processing(void)
9. {
10.       if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
11.          //do something
12.       }
13. }
14.
15. void Task_C_Processing(void)
16. {
17.       static uint8_t ticks = 0;
18.       if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
19.          ticks ++ ;
20.       }
21.
22.       if(5 == ticks){
23.          ticks = 0;
24.          //do something
25.       }
26.
27. }
28.
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();
6.
7.          Task_A_Processing();
8.          Task_B_Processing();
9.          Task_C_Processing();
10.          Task_D_Processing();
11.
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。）