精妙的单片机非阻塞延时程序设计

来源：http://blog.chinaunix.net/uid-29673749-id-4425603.html

  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)
   

   就仅对单片机需要实现的功能来说，如果你连功能都实现不了，那我还要你做什么--那只是基础工作。其实，往往上下游提供的环境对你的设计就是一种考验，也有你需要变换N种方案才能比较好的实现的可能。很明显，这样的上下游环境，对你就是一种很好的资源，不过有些人可能就会视而不见，让你更加熟悉自己开发的东西，在这个行业中的使用和价值情况，对自己的今后发展都是一个很好的参考。不像C、C++的人员到了没有发挥平台的时候，就很郁闷了。相反，对单片机来说，我们可以为自己建立那样的可以供自己发挥和发展的平台。

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。）