毫秒级定时模块是什么？

大家好，我是惊觉。失踪了三个月，我回来了。给大家带来一个好消息和一个坏消息。坏消息是，我尚未满血复活，Ardupilot第四篇将继续延期。好消息是，公众号恢复更新，先出一系列提升编码能力的文章。


全国电赛在即，昨天母校老师联系我，想让我给学弟们做下赛前培训。我做过很多年的培训，很早就发现了一个问题：同学们在为比赛做准备时，往往只注重去学习使用各种各样的传感器，自动控制算法，各种驱动。同学们只关注如何去实现功能，而忽视了如何把代码写得更好，更健壮，更易扩展和维护。如果在比赛之前，先准备好高质量的代码框架，基础模块，熟练掌握调度技巧，将极大提高赛时的开发和调试效率。


所谓高质量，涉及到很多方面，比如：


函数、变量的命名有统一的规则
基础接口要简单易用
设计模块时需层次分明，高内聚低耦合
尽量避免重复代码
笔者不打算一一讲解这些设计原则，而是介绍一些实际的基础模块，讲解它们的设计思路，注意事项和编程技巧，并在此过程中让大家理解相关的设计原则。


毫秒级定时模块
作为系列开篇，本文先介绍一个非常基础的模块：毫秒级定时模块。


友情提醒，本模块比较基础，可能有的同学对此非常熟悉，不过文末还有一个重要的小技巧噢。有基础的同学，可直接往后翻，跳到“再看comm_delay”一节。


此模块提供基础的定时功能，可细分为两种：


延时功能：毫秒极延时。
定时功能：过一段时间后执行一项操作。
可能有的同学会想，直接用单片机的定时器嘛，一个任务用一个定时器，有啥好讲的。其实不然。定时模块肯定要依赖于硬件定时器，但是一个任务用一个定时器的话，会有如下问题：


浪费资源。硬件定时器不仅仅只有定时功能，还有捕获输入信号，输出PWM，编码器等功能。如果滥用基础定时功能的话，等用到上述功能时，将无资源可用。
某个任务与某个定时器绑定在一起，提高了系统耦合程度，可移植性差。
因此，我们需要一个统一的，可移植性强的定时模块。


我们再回头看下两个基础的功能，延时和定时。


延时示例，1秒打印1次hello。comm_delay实现毫秒极延时。


void comm_delay(uint32_t ms);


while (1)
{
    printf("hellorn");
    comm_mdelay(1000);
}


定时示例，1秒打印1次hello。comm_get_ms返回当前系统时间，即系统从启动到现在经过了多少毫秒。


uint32_t comm_get_ms(void);


while (1)
{
    cur_time = comm_get_ms();
    if (cur_time >= timeout)
    {
        printf("hellorn");
        timeout = cur_time + 1000;
    }
}


可能有的同学觉得上述两项功能差不多，而定时比延时的代码要复杂。定时的代码确实多一些，不过它具有并发能力，即支持多个定时任务同时进行。


定时示例，1秒打印1次you，2秒打印1次me。


static void show_you(void)
{
    static uint32_t timeout = 0;
   
    uint32_t cur_time = 0;
   
    cur_time = comm_get_ms();
    if(cur_time < timeout)
    {
        return;
    }
   
    printf("yourn");
    timeout = cur_time + 1000;
}


static void show_me(void)
{
    static uint32_t timeout = 0;
   
    uint32_t cur_time = 0;
   
    cur_time = comm_get_ms();
    if(cur_time < timeout)
    {
        return;
    }
   
    printf("mern");
    timeout = cur_time + 2000;
}


int main(int argc, char **argv)
{
    while (1)
    {
        show_you();
        show_me();
    }
   
    return 0;
}


小结：


延时功能需要提供一个延时函数。
定时功能需要提供获取系统时间的函数。
即：


void comm_delay(uint32_t ms);
uint32_t comm_get_ms(void);


其实延时函数很简单，因为它也可以看成是一个定时任务：


void comm_delay(uint32_t ms)
{
    uint32_t timeout = comm_get_ms() + ms;
    while(comm_get_ms() < timeout);
}


系统时间
实现comm_get_ms，即记录系统时间，自然要靠硬件定时器啦。大家用的单片机，无论是TI，STM32，NXP等，大部分都是cortex-m的内核，该内核有一个专门干这事情的定时器：SysTick timer。其名称为系统滴答定时器，只有简单的定时功能。配置好reload计数并使能后，其由reload值递减至0，触发中断，再从reload递减。如果根据其时钟配置相应的reload值，实现每1ms触发1次中断，那就可以记录毫秒 级的系统时间。


其配置函数位于单片机驱动库的CMSIS组件中，一般的工程都包含了这个组件，比如笔者使用TRUEStudio创建的工程：




下面是stm32的示例。SystemCoreClock为单片机的主频，这也是SysTick的输入时钟。SystemCoreClock / 1000即为1ms的定时计数，将reload配置为此值即可实现每1ms触发1次定时中断。其他单片机方法类似。

#include "stm32l1xx.h"
#include


static uint32_t  sys_tick = 0;


void sys_tick_init(void)
{
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000));
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0);
}


uint32_t sys_tick_get(void)
{
    return sys_tick;
}


void SysTick_Handler(void)
{
    sys_tick++;
}
用法非常简单，单片机启动时调用sys_tick_init配置并使能SysTick，每1ms触发1次SysTick_Handler，其内对当前时间sys_tick进行加1操作。应用层通过sys_tick_get获取当前时间。
SysTick_Handler在中断向量表中指定，大家根据具体的MCU对号入座。


comm_get_ms只需对sys_tick_get进行简单的封装：


uint32_t comm_get_ms(void)
{
    return sys_tick_get();
}


再看comm_delay
我们再看一下毫秒极延时的实现，大家觉得它有问题吗？


void comm_delay(uint32_t ms)
{
    uint32_t timeout = comm_get_ms() + ms;
    while(comm_get_ms() < timeout);
}


对于只需要进行几分钟演示的电赛来说，它没有问题。不过，电赛只是同学们实践所学的一条途径。正儿八经的产品，需要具有足够的健壮性，可长期稳定地运行。上述代码能长期运行吗？


static uint32_t  sys_tick = 0;


comm_get_ms是对sys_tick_get的简单封装，而sys_tick_get返回的是一个32位无符号整型变量，它记录的是系统从启动到现在所经过的毫秒数。32位无符号整型变量最大能表示多长的时间呢？


2^32 / 1000 / 3600 / 24 = 49.71


其可记录49天。在49天后，sys_tick将会溢出，从零重新开始累加。为了方便描述，要使用到一个宏UINT32_MAX。UINT32_MAX表示32位无符号整型变量的最大值，即0xffffffff。


假设我们要延时1分钟，即60000ms。当前时间为UINT32_MAX - 59999，下面计算timeout。


uint32_t timeout = comm_get_ms() + ms;


timeout发生溢出，计算结果为0。


UINT32_MAX - 59999 + 60000 = UINT32_MAX + 1 = 0


那么下面的等待循环将立刻退出，而不需要等待1分钟。


while(comm_get_ms() < timeout);


在接下来的1分钟内，comm_get_ms(60000)都是失效的，每1分钟执行1次的任务将不停地执行。还有其他溢出的场景，这里不再一一描述。我们只要明确一点就好：comm_delay不能长期运行。


健壮的comm_delay
怎么修改comm_delay以解决溢出问题呢？其实很简单，直接给出答案：


void comm_delay(uint32_t ms)
{
    uint32_t timeout = comm_get_ms() + ms;
    while(comm_get_ms() - timeout > UINT32_MAX / 2);
}


我们简单地验证几个场景：


当前时间为10ms，延时2ms。
先计算timeout：
timeout = 10 + 2 = 12


下面看看从现在开始，什么时候while(comm_get_ms() - timeout > UINT32_MAX / 2);会退出。


第0ms秒时，当前时间为10，10 - 12 = -2，请注意，comm_get_ms() - timeout中的操作数都是uint32_t类型，即32位无符号整型，它们相减的结果还是无符号整型。所以-2 --> UINT32_MAX - 1 > UINT32_MAX / 2，循环继续。
第2秒时，当前时间为12，12 - 12 = 0 < UINT32_MAX / 2，循环等待结束。
此种场景，成功实现延时2ms。


当前时间为(UINT32_MAX - 1)ms，延时2ms。
之所以定成UINT32_MAX - 1，是想测试时间溢出的场景，2ms后时间溢出。


先计算timeout，timeout在加2时溢出，最终结果为0。
timeout = (UINT32_MAX - 1) + 2 = UINT32_MAX + 1 = 0


下面看看从现在开始，什么时候while(comm_get_ms() - timeout > UINT32_MAX / 2);会退出。


第0秒时，当前时间为(UINT32_MAX - 1)，(UINT32_MAX - 1) - 0 = (UINT32_MAX - 1) > UINT32_MAX / 2，循环继续。
第2秒时，当前时间如timeout一样加2溢出，最终为0。0 - 0 = 0 < UINT32_MAX / 2，循环等待结束。
此种场景，成功实现延时2ms。


总结
经过两种情况的测试，我们发现，无论计算过程中时间有无溢出，改进后的comm_delay都圆满完成延时。


这种实现的原理是什么呢？原理很重要噢，否则大家在使用时，可能把大于和小于关系搞反，或者是把被减数与减数的关系搞反。至于原理是什么呢，今天来不及讲了，请待下回分解。