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[应用相关] 精妙的用STM32单片机设计的非阻塞延时程序

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 楼主| 药无尘 发表于 2022-9-2 12:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
32单片机, ST, STM32单片机, 单片机设计, 延时程序, 阻塞
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。
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 楼主| 药无尘 发表于 2022-9-2 12:05 | 显示全部楼层
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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  1. 

  2. while(1)
    

  3. {
    

  4.     LED =OFF;
    

  5.     Delay_ms(500);
    

  6.     LED = ON;
    

  7.     Delay_ms(500);
    

  8. }

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。
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 楼主| 药无尘 发表于 2022-9-2 12:06 | 显示全部楼层
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)。
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 楼主| 药无尘 发表于 2022-9-2 12:08 | 显示全部楼层
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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  1. 

  2. typedef struct
    

  3. {    
    

  4.     uint8_t Tick10Msec;
    

  5.     Char_Field Status;
    

  6. } Timer_Struct;

其中Char_Field 为一联合体，设计如下：
复制

  1. 

  2. typedef union
    

  3. {
    

  4.     unsigned char byte;
    

  5.     Timer_Bit field;
    

  6. } Char_Field{

而它内部的Timer_Bit是一个可按位访问的结构体：
复制

  1. 

  2. typedef struct
    

  3. {
    

  4.     unsigned char bit0: 1;
    

  5.     unsigned char bit1: 1;
    

  6.     unsigned char bit2: 1;
    

  7.     unsigned char bit3: 1;
    

  8.     unsigned char bit4: 1;
    

  9.     unsigned char bit5: 1;
    

  10.     unsigned char bit6: 1;
    

  11.     unsigned char bit7: 1;
    

  12. } 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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  1. 

  2. #define bSystem10Msec        gTimer.Status.field.bit0
    

  3. #define bSystem50Msec        gTimer.Status.field.bit1
    

  4. #define bSystem100Msec       gTimer.Status.field.bit2
    

  5. #define bSystem1Sec          gTimer.Status.field.bit3
    

  6. #define bTemp10Msec          gTimer.Status.field.bit4
    

  7. #define bTemp50Msec          gTimer.Status.field.bit5
    

  8. #define bTemp100Msec         gTimer.Status.field.bit6
    

  9. #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。
复制

  1. 

  2. void SysTick_Handler(void)
    

  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：
复制

  1. 

  2. void SysTimer _Process(void)
    

  3. {
    

  4.     gTimer.Status.byte &= 0xF0;
    

  5.     
    

  6.     if (bTemp10Msec)
    

  7.     {
    

  8.         bSystem10Msec = TIMER_SET;
    

  9.     }
    

  10.     
    

  11.     if (bTemp50Msec)
    

  12.     {
    

  13.         bSystem50Msec = TIMER_SET;
    

  14.     }
    

  15.     
    

  16.     if (bTemp100Msec)
    

  17.     {
    

  18.         bSystem100Msec = TIMER_SET;
    

  19.     }
    

  20.     
    

  21.     if (bTemp1Sec)
    

  22.     {
    

  23.         bSystem1Sec = TIMER_SET;
    

  24.     }
    

  25.     
    

  26.     gTimer.Status.byte &= 0x0F;
    

  27. }

此函数开头与结尾两句：
复制
  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。
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 楼主| 药无尘 发表于 2022-9-2 12:09 | 显示全部楼层
说了这么多，举例说明一下如何应用：
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  1. 

  2. void Task_A_Processing(void)
    

  3. {
    

  4.     if(TIMER_SET == bSystem50Msec){
    

  5.         //do something
    

  6.     }
    

  7. }
    


  8. 

  9. void Task_B_Processing(void)
    

  10. {
    

  11.     if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
    

  12.         //do something
    

  13.     }
    

  14. }
    


  15. 

  16. void Task_C_Processing(void)
    

  17. {
    

  18.     static uint8_t ticks = 0;
    

  19.     if(TIMER_SET == bSystem100Msec){
    

  20.        ticks ++ ;
    

  21.     }
    


  22. 

  23.     if(5 == ticks){
    

  24.         ticks = 0;
    

  25.          //do something
    

  26.     }
    


  27. 

  28. }
    


  29. 

  30. void Task_D_Processing(void)
    

  31. {
    

  32.     if(TIMER_SET == bSystem1Sec){
    

  33.         //do something
    

  34.     }
    

  35. }

以上示例四个任务进程，

在主轮询里可进行如下处理：
复制

  1. 

  2. int main(void)
    

  3. {
    

  4.     while(1)
    

  5.     {
    

  6.         SysTimer _Process();
    


  7. 

  8.         Task_A_Processing();
    

  9.         Task_B_Processing();
    

  10.         Task_C_Processing();
    

  11.         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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