一個(gè)嵌入式軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)！

1. 什么是軟件定時(shí)器

軟件定時(shí)器是用程序模擬出來的定時(shí)器，可以由一個(gè)硬件定時(shí)器模擬出成千上萬個(gè)軟件定時(shí)器，這樣程序在需要使用較多定時(shí)器的時(shí)候就不會(huì)受限于硬件資源的不足，這是軟件定時(shí)器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即數(shù)量不受限制。

但由于軟件定時(shí)器是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，其運(yùn)行和維護(hù)都需要耗費(fèi)一定的CPU資源，同時(shí)精度也相對(duì)硬件定時(shí)器要差一些。

2. 軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)原理

在Linux，uC/OS，F(xiàn)reeRTOS等操作系統(tǒng)中，都帶有軟件定時(shí)器，原理大同小異。典型的實(shí)現(xiàn)方法是：通過一個(gè)硬件定時(shí)器產(chǎn)生固定的時(shí)鐘節(jié)拍，每次硬件定時(shí)器中斷到，就對(duì)一個(gè)全局的時(shí)間標(biāo)記加一，每個(gè)軟件定時(shí)器都保存著到期時(shí)間。

程序需要定期掃描所有運(yùn)行中的軟件定時(shí)器，將各個(gè)到期時(shí)間與全局時(shí)鐘標(biāo)記做比較，以判斷對(duì)應(yīng)軟件定時(shí)器是否到期，到期則執(zhí)行相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，并關(guān)閉該定時(shí)器。

以上是單次定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)，若要實(shí)現(xiàn)周期定時(shí)器，即到期后接著重新定時(shí)，只需要在執(zhí)行完回調(diào)函數(shù)后，獲取當(dāng)前時(shí)間標(biāo)記的值，加上延時(shí)時(shí)間作為下一次到期時(shí)間，繼續(xù)運(yùn)行軟件定時(shí)器即可。

3. 基于STM32的軟件定時(shí)器

3.1 時(shí)鐘節(jié)拍

軟件定時(shí)器需要一個(gè)硬件時(shí)鐘源作為基準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)鐘源有一個(gè)固定的節(jié)拍(可以理解為秒針的每次滴答)，用一個(gè)32位的全局變量tickCnt來記錄這個(gè)節(jié)拍的變化：

static volatile uint32_t tickCnt = 0;    //軟件定時(shí)器時(shí)鐘節(jié)拍

每來一個(gè)節(jié)拍就對(duì)tickCnt加一(記錄滴答了多少下)：

/* 需在定時(shí)器中斷內(nèi)執(zhí)行 */
void tickCnt_Update(void){
 tickCnt++;
}

一旦開始運(yùn)行，tickCnt將不停地加一，而每個(gè)軟件定時(shí)器都記錄著一個(gè)到期時(shí)間，只要tickCnt大于該到期時(shí)間，就代表定時(shí)器到期了。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

軟件定時(shí)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定了其執(zhí)行的性能和功能，一般可分為兩種：數(shù)組結(jié)構(gòu)和鏈表結(jié)構(gòu)。什么意思呢？這是(多個(gè))軟件定時(shí)器在內(nèi)存中的存儲(chǔ)方式，可以用數(shù)組來存，也可以用鏈表來存。

兩者的優(yōu)劣之分就是兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性之分：數(shù)組方式的定時(shí)器查找較快，但數(shù)量固定，無法動(dòng)態(tài)變化，數(shù)組大了容易浪費(fèi)內(nèi)存，數(shù)組小了又可能不夠用，適用于定時(shí)事件明確且固定的系統(tǒng)；鏈表方式的定時(shí)器數(shù)量可動(dòng)態(tài)增減，易造成內(nèi)存碎片(如果沒有內(nèi)存管理)，查找的時(shí)間開銷相對(duì)數(shù)組大，適用于通用性強(qiáng)的系統(tǒng)，Linux，uC/OS，F(xiàn)reeRTOS等操作系統(tǒng)用的都是鏈表式的軟件定時(shí)器。

本文使用數(shù)組結(jié)構(gòu)：

static softTimer timer[TIMER_NUM];        //軟件定時(shí)器數(shù)組

數(shù)組和鏈表是軟件定時(shí)器整體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)具體到單個(gè)定時(shí)器時(shí)，就涉及軟件定時(shí)器結(jié)構(gòu)體的定義，軟件定時(shí)器所具有的功能與其結(jié)構(gòu)體定義密切相關(guān)，以下是本文中軟件定時(shí)器的結(jié)構(gòu)體定義：

typedef struct softTimer {
 uint8_t state;           //狀態(tài)
 uint8_t mode;            //模式
 uint32_t match;          //到期時(shí)間
 uint32_t period;         //定時(shí)周期
 callback *cb;            //回調(diào)函數(shù)指針
 void *argv;              //參數(shù)指針
 uint16_t argc;           //參數(shù)個(gè)數(shù)
}softTimer;

定時(shí)器的狀態(tài)共有三種，默認(rèn)是停止，啟動(dòng)后為運(yùn)行，到期后為超時(shí)。

typedef enum tmrState {
 SOFT_TIMER_STOPPED = 0,  //停止
 SOFT_TIMER_RUNNING,      //運(yùn)行
 SOFT_TIMER_TIMEOUT       //超時(shí)
}tmrState;

模式有兩種：到期后就停止的是單次模式，到期后重新定時(shí)的是周期模式。

typedef enum tmrMode {
 MODE_ONE_SHOT = 0,       //單次模式
 MODE_PERIODIC,           //周期模式
}tmrMode;

不管哪種模式，定時(shí)器到期后，都將執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，以下是該函數(shù)的定義，參數(shù)指針argv為void指針類型，便于傳入不同類型的參數(shù)。

typedef void callback(void *argv, uint16_t argc);

上述結(jié)構(gòu)體中的模式state和回調(diào)函數(shù)指針cb是可選的功能，如果系統(tǒng)不需要周期執(zhí)行的定時(shí)器，或者不需要到期后自動(dòng)執(zhí)行某個(gè)函數(shù)，可刪除此二者定義。

3.3 定時(shí)器操作

3.3.1 初始化

首先是軟件定時(shí)器的初始化，對(duì)每個(gè)定時(shí)器結(jié)構(gòu)體的成員賦初值，雖說static變量的初值為0，但個(gè)人覺得還是有必要保持初始化變量的習(xí)慣，避免出現(xiàn)一些奇奇怪怪的BUG。

void softTimer_Init(void){
 uint16_t i;
 for(i=0; i<timer_num; i++) {
  timer[i].state = SOFT_TIMER_STOPPED;
  timer[i].mode = MODE_ONE_SHOT;
  timer[i].match = 0;
  timer[i].period = 0;
  timer[i].cb = NULL;
  timer[i].argv = NULL;
  timer[i].argc = 0;
 }
}

3.3.2 啟動(dòng)

啟動(dòng)一個(gè)軟件定時(shí)器不僅要改變其狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還要告訴定時(shí)器什么時(shí)候到期(當(dāng)前tickCnt值加上延時(shí)時(shí)間即為到期時(shí)間)，單次定時(shí)還是周期定時(shí)，到期后執(zhí)行哪個(gè)函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)是什么，交代好這些就可以開跑了。

void softTimer_Start(uint16_t id, tmrMode mode, uint32_t delay, callback *cb, void *argv, uint16_t argc){
 assert_param(id < TIMER_NUM);
 assert_param(mode == MODE_ONE_SHOT || mode == MODE_PERIODIC);
 
 timer[id].match = tickCnt_Get() + delay;
 timer[id].period = delay;
 timer[id].state = SOFT_TIMER_RUNNING;
 timer[id].mode = mode;
 timer[id].cb = cb;
 timer[id].argv = argv;
 timer[id].argc = argc;
}

上面函數(shù)中的assert_param()用于參數(shù)檢查，類似于庫函數(shù)assert()。

3.3.3 更新

本文中軟件定時(shí)器有三種狀態(tài)：停止，運(yùn)行和超時(shí)，不同的狀態(tài)做不同的事情。停止?fàn)顟B(tài)最簡單，啥事都不做；運(yùn)行狀態(tài)需要不停地檢查有沒有到期，到期就執(zhí)行回調(diào)函數(shù)并進(jìn)入超時(shí)狀態(tài)；超時(shí)狀態(tài)判斷定時(shí)器的模式，如果是周期模式就更新到期時(shí)間，繼續(xù)運(yùn)行，如果是單次模式就停止定時(shí)器。

這些操作都由一個(gè)更新函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

void softTimer_Update(void){
 uint16_t i;
 
 for(i=0; i<timer_num; i++) {
   switch (timer[i].state) {
       case SOFT_TIMER_STOPPED:
     break;
  
    case SOFT_TIMER_RUNNING:
     if(timer[i].match <= tickCnt_Get()) {
      timer[i].state = SOFT_TIMER_TIMEOUT;
      timer[i].cb(timer[i].argv, timer[i].argc);       //執(zhí)行回調(diào)函數(shù)
     }
     break;
   
    case SOFT_TIMER_TIMEOUT:
     if(timer[i].mode == MODE_ONE_SHOT) {
         timer[i].state = SOFT_TIMER_STOPPED;
     } else {
      timer[i].match = tickCnt_Get() + timer[i].period;
         timer[i].state = SOFT_TIMER_RUNNING;
     }
     break;
  
    default:
     printf("timer[%d] state error!rn", i);
     break;
   }
  }
}

3.3.4 停止

如果定時(shí)器跑到一半，想把它停掉，就需要一個(gè)停止函數(shù)，操作很簡單，改變目標(biāo)定時(shí)器的狀態(tài)為停止即可：

void softTimer_Stop(uint16_t id){
 assert_param(id < TIMER_NUM);
 timer[id].state = SOFT_TIMER_STOPPED;
}

3.3.5 讀狀態(tài)

又如果想知道一個(gè)定時(shí)器是在跑著呢還是已經(jīng)停下來？也很簡單，返回它的狀態(tài)：

uint8_t softTimer_GetState(uint16_t id){
 return timer[id].state;
}

或許這看起來很怪，為什么要返回，而不是直接讀？別忘了在前面3.2節(jié)中定義的定時(shí)器數(shù)組是個(gè)靜態(tài)全局變量，該變量只能被當(dāng)前源文件訪問，當(dāng)外部文件需要訪問它的時(shí)。候只能通過函數(shù)返回，這是一種簡單的封裝，保持程序的模塊化。

3.4 測(cè)試

最后，當(dāng)然是來驗(yàn)證一下我們的軟件定時(shí)器有沒達(dá)到預(yù)想的功能。

定義三個(gè)定時(shí)器：

定時(shí)器TMR_STRING_PRINT只執(zhí)行一次，1s后在串口1打印一串字符；

定時(shí)器TMR_TWINKLING為周期定時(shí)器，周期為0.5s，每次到期都將取反LED0的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)LED0的閃爍；

定時(shí)器TMR_DELAY_ON執(zhí)行一次，3s后點(diǎn)亮LED1，跟第一個(gè)定時(shí)器不同的是，此定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)是個(gè)空函數(shù)nop()，點(diǎn)亮LED1的操作通過主循環(huán)中判斷定時(shí)器的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，這種方式在某些場(chǎng)合可能會(huì)用到。

static uint8_t data[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};
int main(void){
 USART1_Init(115200);
 TIM4_Init(TIME_BASE_MS);
 TIM4_NVIC_Config();
 LED_Init();
 
 printf("I just grabbed a spoon.rn");
 
 softTimer_Start(TMR_STRING_PRINT, MODE_ONE_SHOT, 1000, stringPrint, data, 5);
 softTimer_Start(TMR_TWINKLING, MODE_PERIODIC, 500, LED0_Twinkling, NULL, 0);
 softTimer_Start(TMR_DELAY_ON, MODE_ONE_SHOT, 3000, nop, NULL, 0);
 
 while(1) {
  softTimer_Update();
  if(softTimer_GetState(TMR_DELAY_ON) == SOFT_TIMER_TIMEOUT) {
   LED1_On();
  }
 }
}

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