一種高效軟件定時器的設(shè)計與實現(xiàn)

秦玉蒙， 王婭男， 邱春玲

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春130026)

0 引 言

在單片機開發(fā)系統(tǒng)中，經(jīng)常用到定時控制，比如延遲控制、超時控制和計時控制等。尤其是多任務(wù)處理中，對定時的需求很大。為了獲得所需要的定時，需求準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時間基準(zhǔn)，產(chǎn)生這種時間準(zhǔn)確通常有兩種方法:硬件定時器和軟件定時器。

單片機都含有硬件定時器，它通過對時鐘脈沖的計數(shù)實現(xiàn)定時，定時準(zhǔn)確，使用方便，但是單片機內(nèi)部的硬件定時器數(shù)量有限，軟件定時器應(yīng)運而生，它以硬件定時器的定時中斷為基礎(chǔ)，利用軟件方法來實現(xiàn)，定時更長，使用更靈活。

在應(yīng)用單片機進(jìn)行多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)時，定時器工作方式復(fù)雜，受限于單片機內(nèi)部資源數(shù)量，實時操作系統(tǒng)中的軟件定時器無法直接套用;多人開發(fā)時，代碼風(fēng)格因人而異，定時器的管理無法統(tǒng)一，給多人協(xié)作開發(fā)和后期維護(hù)帶來了不便。因此，設(shè)計并實現(xiàn)一種軟件定時器，在單個硬件定時器上實現(xiàn)了多個軟件定時器，代碼經(jīng)過封裝標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)單片機的特性進(jìn)行了優(yōu)化，可作為一個獨立模塊嵌入到單片機軟件系統(tǒng)中;所有代碼都符合ANSI-C 標(biāo)準(zhǔn)，易讀易用，在多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中可以大大簡化軟件設(shè)計復(fù)雜性，方便多人協(xié)作開發(fā)和后期維護(hù)。

1 高效軟件定時器的設(shè)計

在實時操作系統(tǒng)中，硬件定時器以固定的頻率運行，形成周期性的中斷，稱之為“時鐘節(jié)拍”［1-7］。本軟件定時器以時鐘節(jié)拍為定時基準(zhǔn)源，通過軟件計數(shù)的方式實現(xiàn)對時鐘節(jié)拍的累計，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時，執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)。

本軟件定時器模塊由函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，可作為一個獨立模塊嵌入到單片機軟件架構(gòu)中，如圖1所示。硬件定時器驅(qū)動層為軟件定時器提供穩(wěn)定的時鐘節(jié)拍，驅(qū)動處理算法有序運行。由于單片機的RAM容量有限，動態(tài)鏈表作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯然很不適合，選用數(shù)組、輔助變量和宏定義配合的方式作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既滿足了軟件定時器數(shù)量可控，又滿足了動態(tài)使用需求。接口函數(shù)統(tǒng)一管理所有軟件定時器，方便使用。此外，考慮到數(shù)據(jù)臨界態(tài)和用戶輸入的不確定性，添加了加鎖保護(hù)和輸入校驗，提高了軟件的魯棒性［8-10］。

圖1 軟件定時器模塊架構(gòu)

2 高效軟件定時器的實現(xiàn)

2.1 高效軟件定時器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于軟件定時器數(shù)量較多，所以為軟件定時器設(shè)計了一個核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SoftwareTimer，其定義如下:

每個SoftwareTimer 結(jié)構(gòu)的實例定義了一個軟件定時器。其中:Count 用于設(shè)置時鐘節(jié)拍計數(shù)值;CallBackFuction 是計時時間到后執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)指針，其類型為函數(shù)指針類型，對function 的定義如下:

typedef void (* function )(void );

本軟件定時器數(shù)量缺省配置為8，通過數(shù)組進(jìn)行管理，其定義如下:

struct SoftwareTimer Block［Sum］;

define Sum 8 //軟件定時器數(shù)量

雖然軟件定時器從存儲結(jié)構(gòu)上是靜態(tài)的，但是在設(shè)計時考慮到動態(tài)使用的需求，將軟件定時器設(shè)計為先激活后使用，用完即回收。因此，定義了一個就緒表變量，用來標(biāo)記8 個定時器的ID 號和工作狀態(tài)，其定義如下:

uchar State = 0;

2.2 高效軟件定時器的處理算法

軟件定時器的處理算法在時鐘節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，其軟件流程圖如圖2 所示，在時鐘節(jié)拍中，對已開啟的軟件定時器的時鐘節(jié)拍計數(shù)值減1，并判斷時鐘節(jié)拍計數(shù)值是否溢出，如果溢出，表明定時時間到，立即執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，并更新就緒表，在操作就緒表時，不允許有更高級的中斷進(jìn)入操作軟件定時器，所以在處理過程中需要加鎖保護(hù)。本軟件定時器的處理算法通過函數(shù)TimerTickTask 實現(xiàn)，通過此函數(shù)對已開啟的軟件定時器進(jìn)行上述處理，其代碼定義如下:

圖2 軟件定時器處理算法流程圖

2.3 高效軟件定時器的接口函數(shù)

本軟件定時器提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，軟件定時器接口函數(shù)包括軟件定時器啟動函數(shù)SoftwareTimerStart 和軟件定時器關(guān)閉函數(shù)SoftwareTimerStop。SoftwareTimerStart 函數(shù)流程如圖3所示，通過該函數(shù)可以開啟一個軟件定時器，如果無可用軟件定時器，即開啟失敗，返回錯誤碼。如果開啟成功，進(jìn)行時鐘節(jié)拍計數(shù)值和回調(diào)函數(shù)初始化，并把該軟件定時器在就緒表中的位置作為ID 號返回。

圖3 啟動流程圖

通過SoftwareTimerStop 函數(shù)可以對該軟件定時器進(jìn)行關(guān)閉操作，并返回已計量的時鐘節(jié)拍數(shù)，其執(zhí)行流程如圖4 所示。

圖4 關(guān)閉流程圖

注意，軟件定時器受時鐘節(jié)拍驅(qū)動，節(jié)拍精度直接影響軟件定時器的精度?；卣{(diào)函數(shù)直接在時鐘節(jié)拍中運行，如果回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時間超過時鐘節(jié)拍間隔時長，就會造成后續(xù)節(jié)拍的滯后，不僅影響定時精度，而且影響系統(tǒng)正常運行。所以回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行時間不能超過時鐘節(jié)拍間隔時長，如果回調(diào)函數(shù)需要較長時間運行，可以在回調(diào)函數(shù)中置位一個標(biāo)志位，在大循環(huán)中掃描該標(biāo)志位執(zhí)行所需任務(wù)。

3 實驗結(jié)果

3.1 誤差分析

軟件定時器開啟和關(guān)閉的理想時間段為時鐘節(jié)拍所用硬件定時器的中斷處理函數(shù)執(zhí)行期間［11-12］。但實際上軟件定時器的開啟和關(guān)閉時刻是隨機的，在操作某個軟件定時器時，由于開啟時刻和關(guān)閉時刻與時鐘節(jié)拍沒有對準(zhǔn)，會存在誤差，且其值可能是一個時鐘節(jié)拍內(nèi)的任意值，該誤差稱為啟動誤差和關(guān)閉誤差。如圖5 所示，時刻1 和時刻3 為時鐘節(jié)拍所用硬件定時器的中斷處理起始時刻。如果在時刻2 開啟了一個軟件定時器，其啟動誤差即為時刻1 與時刻2 之間的時間差值。如果在時刻4 停止了該軟件定時器，其關(guān)閉誤差即為時刻3 與時刻4 之間的時間差值。

圖5 誤差分析

啟動誤差和關(guān)閉誤差無法完全消除，可以采用更快的時鐘節(jié)拍來減小誤差，但是這樣會導(dǎo)致CPU 頻繁進(jìn)出中斷，CPU 利用率不高，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用的需要，選擇合適的時鐘節(jié)拍，將這兩種誤差控制在可接受的范圍內(nèi)。

3.2 性能測試

在基于時鐘節(jié)拍的前后臺軟件架構(gòu)中，兩個時鐘節(jié)拍之間的時間間隔稱為“時間片”［13］，為了分析軟件定時器的算法效率，以“時間片占用率”來進(jìn)行衡量?？梢愿鶕?jù)時間片占用率及應(yīng)用需求設(shè)定合適的時鐘節(jié)拍，獲取更高的定時精度［14-16］。

時間片占用率 = TimerTickTask 函數(shù)運行時間/時間片。

測試環(huán)境:Keil C51 V4.11，芯片類型AT89C55，時鐘頻率設(shè)置為24 MHz。

測試方法:時間片設(shè)置為5 ms。在開啟時鐘節(jié)拍所用硬件定時器之前，開啟軟件定時器，定時時間設(shè)置為5 ms，回調(diào)函數(shù)為空函數(shù)。時鐘節(jié)拍中只有TimerTickTask 函數(shù)。使用KEIL 軟件仿真得到測試結(jié)果如表1 所示。

由測試結(jié)果可知，每增加一個軟件定時器，TimerTickTask 函數(shù)運行時間增加約為45 μs，時間片占用率增加約為0.9%;AT89C55 在24 MHz 時鐘下的指令處理速度為2 MIPS，性能有限，在8 個軟件定時器全部開啟的極端情況下，時間片占用率不到8%，可見該軟件定時器算法具有較高的執(zhí)行效率。在更高級的單片機中可將時間片進(jìn)一步縮小，保證性能的同時可獲得更高的定時精度。

表1 性能測試

4 應(yīng)用舉例

本軟件定時器使用靈活，應(yīng)用場合廣泛，例如，按鍵音、串口讀超時判斷和界面顯示超時判斷等。如果兩個軟件定時器嵌套使用，還可實現(xiàn)不等長度的周期性定時。

4.1 串口讀超時判斷

在單片機開發(fā)系統(tǒng)，尤其是51 內(nèi)核單片機，在串口開發(fā)中，需要一個硬件定時器提供波特率，還需要一個硬件定時器用于串口讀超時判斷，造成硬件定時器資源緊張，本軟件定時器可以很好解決這個問題，首先根據(jù)需要編寫ReadTimerOut 函數(shù)，此函數(shù)時是在串口讀超時后要執(zhí)行的任務(wù)。設(shè)時間片為1 ms，串口數(shù)據(jù)流中斷10 ms 即認(rèn)為超時，其判斷代碼如下:

在上述代碼中TimerID 變量有兩個作用，一是記錄定時器ID，二是用來判斷串口數(shù)據(jù)流的起始字節(jié)。如果是起始字節(jié)，開啟一個軟件定時器，再次讀串口時關(guān)閉上一次開啟的軟件定時器，開啟一個軟件定時器重新開始計時。

4.2 軟件定時器嵌套

本軟件定時器靈活使用，會把復(fù)雜設(shè)計變得簡單，在工控領(lǐng)域，經(jīng)過用到不等長周期性定時用于測試設(shè)備。設(shè)時間片為1 ms，利用本軟件定時器實現(xiàn)工作1 s停3 s 這樣的不等長周期性定時的代碼如下:

TaskStart 函數(shù)開啟任務(wù)后，開啟一個軟件定時器，定時1 s 后回調(diào)TaskSop 函數(shù)，TaskSop 函數(shù)關(guān)閉任務(wù)，開啟一個軟件定時器，定時3 s 后調(diào)TaskStart 函數(shù)。如此循環(huán)嵌套實現(xiàn)所需功能。

5 結(jié) 語

將實時操作系統(tǒng)中的定時器軟件管理思想引入單片機前后臺軟件架構(gòu)中，設(shè)計并實現(xiàn)了一個軟件定時器模塊，本模塊邏輯清楚，分層設(shè)計，并針對單片機進(jìn)行了特殊優(yōu)化;采用動態(tài)激活的方式使用，軟件定時器用完即回收，便于重復(fù)使用。誤差分析和性能測試表明本軟件定時器實用高效。利用本軟件定時器開發(fā)多任務(wù)系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約硬件定時器資源，而且可以大大加快單片機系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。

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