精妙的用STM32单片机设计的非阻塞延时程序

只看该作者 · 2022-9-2 12:04

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。

只看该作者 · 2022-9-2 12:05

一：阻塞式延时
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：

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while(1)

{

    LED =OFF;

    Delay_ms(500);

    LED = ON;

    Delay_ms(500);

}

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。

只看该作者 · 2022-9-2 12:06

二：定时器延时

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。
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)。

只看该作者 · 2022-9-2 12:08

三：非阻塞式延时设计
在之前的文章中有对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：

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typedef struct

{    

    uint8_t Tick10Msec;

    Char_Field Status;

} Timer_Struct;

其中Char_Field 为一联合体，设计如下：

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typedef union

{

    unsigned char byte;

    Timer_Bit field;

} Char_Field{

而它内部的Timer_Bit是一个可按位访问的结构体：

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typedef struct

{

    unsigned char bit0: 1;

    unsigned char bit1: 1;

    unsigned char bit2: 1;

    unsigned char bit3: 1;

    unsigned char bit4: 1;

    unsigned char bit5: 1;

    unsigned char bit6: 1;

    unsigned char bit7: 1;

} 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：

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#define bSystem10Msec        gTimer.Status.field.bit0

#define bSystem50Msec        gTimer.Status.field.bit1

#define bSystem100Msec       gTimer.Status.field.bit2

#define bSystem1Sec          gTimer.Status.field.bit3

#define bTemp10Msec          gTimer.Status.field.bit4

#define bTemp50Msec          gTimer.Status.field.bit5

#define bTemp100Msec         gTimer.Status.field.bit6

#define bTemp1Sec            gTimer.Status.field.bit7

另外为了后面程序清晰，再定义一状态指示：
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。

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void SysTick_Handler(void)

{

        bTemp10Msec = TIMER_SET;

        

        ++gTimer.Tick10Msec;

        if (0 == (gTimer.Tick10Msec % 5))

        {

            bTemp50Msec = TIMER_SET;

        }

        

        if (0 == (gTimer.Tick10Msec % 10))

        {

            bTemp100Msec = TIMER_SET;

        }

        

        if (100 == gTimer.Tick10Msec)

        {

            gTimer.Tick10Msec = 0;

            bTemp1Sec = TIMER_SET;

        }

}

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：

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void SysTimer _Process(void)

{

    gTimer.Status.byte &= 0xF0;

    

    if (bTemp10Msec)

    {

        bSystem10Msec = TIMER_SET;

    }

    

    if (bTemp50Msec)

    {

        bSystem50Msec = TIMER_SET;

    }

    

    if (bTemp100Msec)

    {

        bSystem100Msec = TIMER_SET;

    }

    

    if (bTemp1Sec)

    {

        bSystem1Sec = TIMER_SET;

    }

    

    gTimer.Status.byte &= 0x0F;

}

此函数开头与结尾两句：

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gTimer.Status.byte &= 0xF0;

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。

只看该作者 · 2022-9-2 12:09

说了这么多，举例说明一下如何应用：

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void Task_A_Processing(void)

{

    if(TIMER_SET == bSystem50Msec){

        //do something

    }

}



void Task_B_Processing(void)

{

    if(TIMER_SET == bSystem100Msec){

        //do something

    }

}



void Task_C_Processing(void)

{

    static uint8_t ticks = 0;

    if(TIMER_SET == bSystem100Msec){

       ticks ++ ;

    }



    if(5 == ticks){

        ticks = 0;

         //do something

    }



}



void Task_D_Processing(void)

{

    if(TIMER_SET == bSystem1Sec){

        //do something

    }

}

以上示例四个任务进程，

在主轮询里可进行如下处理：

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int main(void)

{

    while(1)

    {

        SysTimer _Process();



        Task_A_Processing();

        Task_B_Processing();

        Task_C_Processing();

        Task_D_Processing();

    }

}

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。