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精妙的单片机非阻塞延时程序设计

时间:10-02 整理:3721RD 点击:

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:


  • while(1)

  • {

  •     LED =OFF;

  •     Delay_ms(500);

  •     LED = ON;

  •     Delay_ms(500);

  • }


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:

  • typedef struct

  • {

  •     uint8_t Tick10Msec;

  •     Char_Field Status;

  • } Timer_Struct;


其中Char_Field 为一联合体,设计如下:

  • 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:

  • 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:

  • #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.bit


另外为了后面程序清晰,再定义一状态指示:

  • typedef enum

  • {

  •     TIMER_RESET = 0,

  •     TIMER_SET = 1,

  • } 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,

  • 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:

  • 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

  • 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。

说了这么多,举例说明一下如何应用:

  • 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:

  • 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。)


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