1.1 背景

目前市面上的單片機(jī)基本都帶有硬件定時(shí)器功能，單片機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)中也經(jīng)常會(huì)用到定時(shí)器進(jìn)行一些和時(shí)間相關(guān)的開發(fā)，比如延時(shí)或者周期性地執(zhí)行一些操作。單片機(jī)的硬件定時(shí)器個(gè)數(shù)一般都是固定的，而且一些低端單片機(jī)的定時(shí)器個(gè)數(shù)一般都比較少，在一些有多個(gè)周期性操作的應(yīng)用場(chǎng)合就無(wú)法滿足要求。這時(shí)，就可以基于硬件定時(shí)器派生出軟件定時(shí)器，來(lái)滿足這種多種周期性或多個(gè)單次延時(shí)操作的需求。軟件定時(shí)器的優(yōu)點(diǎn)就是個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置，而且可以實(shí)現(xiàn)多種不同的定時(shí)周期。

1.2 測(cè)試平臺(tái)

這里使用的開發(fā)環(huán)境和相關(guān)硬件如下。

• 操作系統(tǒng)：Ubuntu 20.04.2 LTS x86_64（使用uname -a命令查看）
• 集成開發(fā)環(huán)境（IDE）：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers，Version: 2021-06 (4.20.0)
• 硬件開發(fā)板：STM32F429I-DISCO
• 本文對(duì)應(yīng)的例程代碼鏈接如下。

https://download.csdn.net/download/goodrenze/85106391

1.3 軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)方法

這里就結(jié)合開發(fā)板STM32F429I-DISCO上的STM32F429ZI的單片機(jī)來(lái)演示軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)方法。

一般定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式有2種：一種是單次定時(shí)，即定時(shí)時(shí)間到了之后，自動(dòng)停止定時(shí)；另一種是周期定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到了之后，自動(dòng)按照之前的定時(shí)周期重新定時(shí)。對(duì)于周期定時(shí)，可以手動(dòng)進(jìn)行定時(shí)器的啟動(dòng)、關(guān)閉和刪除。

下面講解軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)步驟。

1）由于軟件定時(shí)器是基于硬件定時(shí)器的，所以需要先初始化一個(gè)硬件定時(shí)器，并啟動(dòng)硬件定時(shí)器。這里使用STM32F429ZI的硬件定時(shí)器7，定時(shí)器的定時(shí)周期為10ms，即每10ms產(chǎn)生一次定時(shí)器中斷。初始化代碼如下。

TIM_HandleTypeDef    Tim7Handle;
uint8_t InitTim7(uint32_t period_ms)
{
  uint16_t uwPrescalerValue;


  if(0 == period_ms)
  {
    return 1;
  }


  __HAL_RCC_TIM7_CLK_ENABLE();


  HAL_NVIC_SetPriority(TIM7_IRQn, 2, 0);


  HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM7_IRQn);


  /* Compute the prescaler value to have TIM7 counter clock equal to 10 KHz */
  uwPrescalerValue = (uint32_t) ((SystemCoreClock /2) / 10000) - 1;


  /* Set TIM7 instance */
  Tim7Handle.Instance = TIM7;
  Tim7Handle.Init.Period = period_ms * 10 - 1;
  Tim7Handle.Init.Prescaler = uwPrescalerValue;
  Tim7Handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  Tim7Handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  if(HAL_TIM_Base_Init(&Tim7Handle) != HAL_OK)
  {
    return 1;
  }


  /* Start the TIM Base generation in interrupt mode */
  if(HAL_TIM_Base_Start_IT(&Tim7Handle) != HAL_OK)
  {
    return 1;
  }


  return 0;
}

2）硬件定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到了之后，會(huì)產(chǎn)生中斷，所以需要實(shí)現(xiàn)定時(shí)器中斷處理函數(shù)。這里基于STM32的HAL進(jìn)行開發(fā)，所以在定時(shí)器的中斷入口函數(shù)中直接調(diào)用HAL_TIM_IRQHandler()函數(shù)，然后實(shí)現(xiàn)實(shí)際的中斷處理回調(diào)函數(shù)HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()。對(duì)應(yīng)的代碼如下。其中調(diào)用的軟件定時(shí)器更新函數(shù)會(huì)在后面介紹。

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim == &Tim7Handle)
  {
    SwTimerUpdateCount();
  }
}

3）設(shè)計(jì)軟件定時(shí)器對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。按照軟件定時(shí)器的實(shí)際使用特點(diǎn)，必須要包含定時(shí)器計(jì)數(shù)值和周期定時(shí)器的重裝載值，另外還要有定時(shí)器時(shí)間到之后需要執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)。對(duì)應(yīng)的軟件定時(shí)器結(jié)構(gòu)體如下所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)體中的TimerCount和TimerReload都為0時(shí)，說(shuō)明軟件定時(shí)器處于空閑狀態(tài)，可以分配使用；如果TimerCount非0，而TimerReload為0，說(shuō)明軟件定時(shí)器是單次定時(shí)器；如果TimerCount和TimerReload都非0，說(shuō)明軟件定時(shí)器是周期定時(shí)器。

typedef void (*TimerCallbackFunc)(void);


typedef struct _SwTimer_t
{
  uint32_t TimerCount;
  uint32_t TimerReload;
  TimerCallbackFunc TimerCallback;
}SwTimer_t;

4）這里將軟件定時(shí)器設(shè)置成10個(gè)，可以通過(guò)宏定義來(lái)設(shè)置軟件定時(shí)器個(gè)數(shù)。使用軟件定時(shí)器結(jié)構(gòu)體定義一個(gè)具有10個(gè)定時(shí)器的數(shù)組。如下代碼所示。

#define SW_TIMER_NUM    10
SwTimer_t SwTimer[SW_TIMER_NUM];

5）軟件定時(shí)器復(fù)位函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)所有軟件定時(shí)器的重置操作，重置后，所有軟件定時(shí)器都處于空閑狀態(tài)，可供分配使用。函數(shù)代碼如下。

void SwTimerReset(void)
{
  uint8_t i;


  for(i = 0; i < SW_TIMER_NUM; i++)
  {
    SwTimer[i].TimerCount = 0;
    SwTimer[i].TimerReload = 0;
    SwTimer[i].TimerCallback = 0;
  }
}

6）啟動(dòng)單次定時(shí)器函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)單次定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到了之后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)回調(diào)函數(shù)，并停止定時(shí)和釋放定時(shí)器資源。函數(shù)代碼如下。如果啟動(dòng)成功，函數(shù)返回定時(shí)器的索引號(hào)（該值小于定時(shí)器個(gè)數(shù)值）；啟動(dòng)失敗，返回的定時(shí)器索引號(hào)等于定時(shí)器的個(gè)數(shù)。

uint8_t SwTimerStartSingleTimer(uint32_t single_ms, TimerCallbackFunc TimerCallback)
{
  uint8_t i;


  single_ms /= MINI_PERIOD_MS;
  if(0 == single_ms)
  {
    single_ms = 1;
  }
  for(i = 0; i < SW_TIMER_NUM; i++)
  {
    if((SwTimer[i].TimerCount == 0) && (SwTimer[i].TimerReload == 0))
    {
      SwTimer[i].TimerCount = single_ms;
      SwTimer[i].TimerCallback = TimerCallback;
      break;
    }
  }


  return i;
}

7）添加周期定時(shí)器函數(shù)，用于添加一個(gè)新的周期定時(shí)器但不啟動(dòng)定時(shí)，需要手動(dòng)啟動(dòng)定時(shí)器。函數(shù)代碼如下。如果添加成功，函數(shù)返回定時(shí)器的索引號(hào)（該值小于定時(shí)器個(gè)數(shù)值）；添加失敗，返回的定時(shí)器索引號(hào)等于定時(shí)器的個(gè)數(shù)。

uint8_t SwTimerAddPeriodTimer(uint32_t period_ms, TimerCallbackFunc TimerCallback)
{
  uint8_t i;


  period_ms /= MINI_PERIOD_MS;
  if(0 == period_ms)
  {
    period_ms = 1;
  }
  for(i = 0; i < SW_TIMER_NUM; i++)
  {
    if((SwTimer[i].TimerCount == 0) && (SwTimer[i].TimerReload == 0))
    {
      SwTimer[i].TimerReload = period_ms;
      SwTimer[i].TimerCallback = TimerCallback;
      break;
    }
  }


  return i;
}

8）啟動(dòng)周期定時(shí)器函數(shù)，用于啟動(dòng)指定定時(shí)器索引號(hào)的周期定時(shí)器開始定時(shí)。函數(shù)代碼如下。如果啟動(dòng)成功，函數(shù)返回定時(shí)器的索引號(hào)（該值小于定時(shí)器個(gè)數(shù)值）；啟動(dòng)失敗，返回的定時(shí)器索引號(hào)等于定時(shí)器的個(gè)數(shù)。

uint8_t SwTimerStartPeroidTimer(uint8_t timer_no)
{
  if(SW_TIMER_NUM <= timer_no)
  {
    return SW_TIMER_NUM;
  }
  else if((SwTimer[timer_no].TimerCount == 0) && (SwTimer[timer_no].TimerReload == 0))
  {
    return SW_TIMER_NUM;
  }
  else
  {
    SwTimer[timer_no].TimerCount = SwTimer[timer_no].TimerReload;
    return timer_no;
  }
}

9）停止定時(shí)器函數(shù)，用于結(jié)束指定定時(shí)器索引號(hào)的定時(shí)器的定時(shí)，可用于停止單次或周期定時(shí)器。函數(shù)代碼如下。如果停止成功，函數(shù)返回定時(shí)器的索引號(hào)（該值小于定時(shí)器個(gè)數(shù)值）；停止失敗，返回的定時(shí)器索引號(hào)等于定時(shí)器的個(gè)數(shù)。

uint8_t SwTimerStopTimer(uint8_t timer_no)
{
  if(SW_TIMER_NUM <= timer_no)
  {
    return SW_TIMER_NUM;
  }
  else
  {
    SwTimer[timer_no].TimerCount = 0;
    return timer_no;
  }
}

10）刪除周期定時(shí)器函數(shù)，用于結(jié)束指定定時(shí)器索引號(hào)的周期定時(shí)器的定時(shí)，并釋放定時(shí)器資源。函數(shù)代碼如下。如果刪除成功，函數(shù)返回定時(shí)器的索引號(hào)（該值小于定時(shí)器個(gè)數(shù)值）；刪除失敗，返回的定時(shí)器索引號(hào)等于定時(shí)器的個(gè)數(shù)。

uint8_t SwTimerDeletePeroidTimer(uint8_t timer_no)
{
  if(SW_TIMER_NUM <= timer_no)
  {
    return SW_TIMER_NUM;
  }
  else
  {
    SwTimer[timer_no].TimerCount = 0;
    SwTimer[timer_no].TimerReload = 0;
    return timer_no;
  }
}

11）軟件定時(shí)器計(jì)數(shù)值更新函數(shù)，用于更新每個(gè)已經(jīng)啟動(dòng)定時(shí)的軟件定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，該函數(shù)必須在硬件定時(shí)器的中斷處理函數(shù)中調(diào)用。函數(shù)的實(shí)現(xiàn)思路是：遍歷所有的軟件定時(shí)器，如果遍歷到的定時(shí)器的計(jì)數(shù)值非0，則進(jìn)行減1操作。如果減1后計(jì)數(shù)值為0，如果定時(shí)器的重裝載值非0，說(shuō)明是周期定時(shí)器，需要將計(jì)數(shù)值更新成對(duì)應(yīng)的重裝載值以便重新定時(shí)，同時(shí)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)；如果定時(shí)器的重裝載值是0，說(shuō)明是單次定時(shí)器，執(zhí)行完回調(diào)函數(shù)后自動(dòng)停止定時(shí)并釋放定時(shí)器資源。如果減1后計(jì)數(shù)值不為0，繼續(xù)遍歷更新后續(xù)的定時(shí)器，直到所有定時(shí)器都遍歷完畢。函數(shù)流程圖和對(duì)應(yīng)代碼如下。

圖1 軟件定時(shí)器計(jì)數(shù)值更新函數(shù)

void SwTimerUpdateCount(void)
{
  uint8_t i;


  for(i = 0; i < SW_TIMER_NUM; i++)
  {
    if(SwTimer[i].TimerCount != 0)
    {
      SwTimer[i].TimerCount -= 1;
      if(SwTimer[i].TimerCount == 0)
      {
        if(SwTimer[i].TimerReload != 0)
        {
          SwTimer[i].TimerCount = SwTimer[i].TimerReload;
        }
        if(SwTimer[i].TimerCallback != 0)
        {
          SwTimer[i].TimerCallback();
        }
      }
    }
  }
}

12）軟件定時(shí)器的實(shí)際使用示例。代碼如下。

int main(void)
{
  uint8_t no;


  HAL_Init();


  /* Configure the system clock to 168 MHz */
  SystemClock_Config();


  BSP_LED_Init(LED3);
  BSP_LED_Init(LED4);
  InitTim7(MINI_PERIOD_MS);
  SwTimerReset();
  no = SwTimerAddPeriodTimer(500, ToggleLed3);
  if(no < SW_TIMER_NUM)
  {
    SwTimerStartPeroidTimer(no);
  }
#if 1
  no = SwTimerAddPeriodTimer(1000, ToggleLed4);
  if(no < SW_TIMER_NUM)
  {
    SwTimerStartPeroidTimer(no);
  }
#else
  no = SwTimerStartSingleTimer(5000, ToggleLed4);
#endif


  while (1)
  {
  }
}