什么是軟件定時器？軟件定時器的實(shí)現(xiàn)原理

1.什么是軟件定時器

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

但由于軟件定時器是通過程序?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，同時精度也相對硬件定時器要差一些。

2.軟件定時器的實(shí)現(xiàn)原理

在Linux，uC/OS，FreeRTOS等操作系統(tǒng)中，都帶有軟件定時器，原理大同小異。典型的實(shí)現(xiàn)方法是：通過一個硬件定時器產(chǎn)生固定的時鐘節(jié)拍，每次硬件定時器中斷到，就對一個全局的時間標(biāo)記加一，每個軟件定時器都保存著到期時間。

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

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

3.基于STM32的軟件定時器

3.1 時鐘節(jié)拍

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

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

每來一個節(jié)拍就對tickCnt加一(記錄滴答了多少下)：

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

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

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

軟件定時器的數(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)軟件定時器在內(nèi)存中的存儲方式，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)組方式的定時器查找較快，但數(shù)量固定，無法動態(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，適用于定時事件明確且固定的系統(tǒng)；鏈表方式的定時器數(shù)量可動態(tài)增減，易造成內(nèi)存碎片(如果沒有內(nèi)存管理)，查找的時間開銷相對數(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器。

本文使用數(shù)組結(jié)構(gòu)：

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

數(shù)組和鏈表是軟件定時器整體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)具體到單個定時器時，就涉及軟件定時器結(jié)構(gòu)體的定義，軟件定時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;          //到期時間    uint32_t period;         //定時周期    callback *cb;            //回調(diào)函數(shù)指針    void *argv;              //參數(shù)指針    uint16_t argc;           //參數(shù)個數(shù)}softTimer;

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

typedef enum tmrState {    SOFT_TIMER_STOPPED = 0,  //停止    SOFT_TIMER_RUNNING,      //運(yùn)行    SOFT_TIMER_TIMEOUT       //超時}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)行的定時器，或者不需要到期后自動執(zhí)行某個函數(shù)，可刪除此二者定義。

3.3 定時器操作

3.3.1 初始化

首先是軟件定時器的初始化，對每個定時器結(jié)構(gòu)體的成員賦初值，雖說static變量的初值為0，但個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

3.3.2 啟動

啟動一個軟件定時器不僅要改變其狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)，同時還要告訴定時器什么時候到期(當(dāng)前tickCnt值加上延時時間即為到期時間)，單次定時還是周期定時，到期后執(zhí)行哪個函數(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

本文中軟件定時器有三種狀態(tài)：停止，運(yùn)行和超時，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)入超時狀態(tài)；超時狀態(tài)判斷定時器的模式，如果是周期模式就更新到期時間，繼續(xù)運(yùn)行，如果是單次模式就停止定時器。這些操作都由一個更新函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

void softTimer_Update(void)
{
    uint16_t i;
    
    for(i=0; i

3.3.4 停止

如果定時器跑到一半，想把它停掉，就需要一個停止函數(shù)，操作很簡單，改變目標(biāo)定時器的狀態(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)

又如果想知道一個定時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)中定義的定時器數(shù)組是個靜態(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 測試

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

定義三個定時器：

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

定時器TMR_TWINKLING為周期定時器，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；

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

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.\\r\\n");
    
    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();
        }
    }
}