嵌入式里通用微秒計時函數(shù)框架設(shè)計與實現(xiàn)

今天給大家分享的是嵌入式里通用微秒(microseconds)計時函數(shù)框架設(shè)計與實現(xiàn)。

在嵌入式軟件開發(fā)里，計時可以說是非?；A(chǔ)的功能模塊了，其應(yīng)用也非常廣泛，比如可以輔助計算信號脈沖寬度時間，也可以直接用于常規(guī)延時等。相信很多人初次領(lǐng)略 MCU 的神奇，都是從計時功能相關(guān)小程序開始的。

在 MCU 里要想實現(xiàn)精確計時，往往都是利用其內(nèi)部硬件定時器。不同廠商的 MCU，其定時器設(shè)計與使用都不太一樣。即使是同一 MCU 內(nèi)，通常也會有好幾種不同類型的定時器共存。

基于此，今天分享一種非常簡單實用的通用計時函數(shù)框架。這個框架的目的是統(tǒng)一計時函數(shù)接口，并且在實現(xiàn)上將通用部分和硬件相關(guān)部分剝離開。這樣你的嵌入式項目在使用這個框架時，可以無縫快捷地切換底層定時器。

注：本框架主要適合定時器時鐘源不小于 1MHz 的 MCU，因為函數(shù)接口里延時最小單元是 1us。對于一些定時器時鐘源低于 1MHz 的 MCU，可將本框架簡單改成毫秒(milliseconds)計時函數(shù)。

一、微秒(microseconds)計時函數(shù)庫設(shè)計

1、函數(shù)接口定義

首先是設(shè)計通用計時函數(shù)框架頭文件：microseconds.h ，這個頭文件里直接定義如下 7 個接口函數(shù)原型。涵蓋必備的初始化流程init()、shutdown()，最核心的計時功能get_ticks()、convert_to_microseconds()，常用的延時功能delay()、set_delay()、is_timeout()。

//!@brief初始化計時
voidmicroseconds_init(void);
//!@brief關(guān)閉計時
voidmicroseconds_shutdown(void);
//!@brief獲取系統(tǒng)累計計數(shù)值
uint64_tmicroseconds_get_ticks(void);
//!@brief將計數(shù)值轉(zhuǎn)換為時間值(微秒)
uint32_tmicroseconds_convert_to_microseconds(uint64_tticks);
//!@brief阻塞型延時(微秒級)
voidmicroseconds_delay(uint32_tus);
//!@brief設(shè)置超時時間（用于非阻塞型延時）
voidmicroseconds_set_delay(uint32_tus);
//!@brief判斷是否超時（用于非阻塞型延時）
boolmicroseconds_is_timeout(void);

2、通用函數(shù)實現(xiàn)

然后是設(shè)計通用計時函數(shù)框架共用源文件：microseconds_common.c，這個文件里涉及三個靜態(tài)全局變量定義，四個私有函數(shù)聲明，以及除了 get_ticks() 之外的 6 個接口函數(shù)實現(xiàn)。

其中 s_tickPerMicrosecond 變量存的是每微秒對應(yīng)計數(shù)值，其實這個變量不是一定要定義的，可以在函數(shù)需要時實時計算，但為了小小提升框架性能，就在 init() 里將這個值先算出來了，方便其他函數(shù)直接使用。

s_highCounter 變量存的是定時器中斷次數(shù)，即高位計數(shù)器，因為框架 get_ticks() 接口返回的是 64bit 的計數(shù)值，對于有些寬度小于 32bit 的定時器，我們常常需要開啟定時器中斷，否則無法保證系統(tǒng)長時間運行線性計時的正確性（比如 100MHz 時鐘源的 32bit 定時器，最長約 43 秒就會清零翻轉(zhuǎn)一次，需要 s_highCounter 變量記錄翻轉(zhuǎn)次數(shù)）。

當然，如果 MCU 里能級連出 64bit 的定時器，就可以不用開啟中斷（清零翻轉(zhuǎn)的時間特別長，可近似認為是永久），s_highCounter 此時就不需要了。

關(guān)于延時函數(shù)接口，delay() 用于阻塞型延時，即調(diào)用這個函數(shù)后一定是死等指定時間后才退出，系統(tǒng)會被強制掛起；set_delay()/is_timeout()用于非阻塞型延時，系統(tǒng)可以繼續(xù)干其他任務(wù)，在需要的時侯來查看一下超時時間是否到了即可。兩種延時各有各的用途。

//!

	

	二、微秒(microseconds)計時函數(shù)庫實現(xiàn)

	1、定時器相關(guān)實現(xiàn)（基于Cortex-M內(nèi)核的SysTick）

	最后是設(shè)計 MCU 相關(guān)的通用計時函數(shù)框架源文件：microseconds_xxTimer.c，這里我們以 Cortex-M 系列 MCU 的內(nèi)核定時器 SysTick 為例。

	SysTick 是 24bit 遞減定時器，時鐘源有兩種配置：一是內(nèi)核主頻，二是外部時鐘（看廠商實現(xiàn)），最常用的時鐘源配置就是與內(nèi)核同頻。

	之前我們說過，用 SysTick 這類寬度小于 32bit 的定時器，是需要開啟定時器中斷的，所以 s_highCounter 會生效。get_ticks()是整個計時函數(shù)框架里最基礎(chǔ)也最核心的功能接口，這里面的實現(xiàn)有一個需要特別注意的地方，就是取系統(tǒng)當前計數(shù)值可能會有數(shù)值回退的風險，需要使用代碼中 do {} while()；方式來確保正確性。

	
//!CTRL&=~(SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk|
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk|
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);
SysTick->VAL=0;
}

uint32_tmicroseconds_get_clock(void)
{
returnSystemCoreClock;
}

uint64_tmicroseconds_get_ticks(void)
{
uint32_thigh;
uint32_tlow;
//這里的實現(xiàn)要注意確保中斷發(fā)生時獲取系統(tǒng)累計計數(shù)值的正確性
do
{
//先緩存高位計數(shù)器
high=s_highCounter;
//再讀定時器實際計數(shù)值
low=~SysTick->VAL&SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;
}while(high!=s_highCounter);//保證緩存高位值與讀實際低位值間隙中沒有發(fā)生中斷

return((uint64_t)high<

	

	當然還有很多具體 MCU 平臺的各種定時器實現(xiàn)，因此這個項目會不斷更新，也歡迎大家來參與貢獻。

	至此，嵌入式里通用微秒(microseconds)計時函數(shù)框架設(shè)計與實現(xiàn)便介紹完畢了。

	

	審核編輯：湯梓紅