精妙的单片机非阻塞延时程序设计

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  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。）