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(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，濟(jì)南 250353；2.山東省科學(xué)院自動化研究所；3.山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室)

引 言

在嵌入式軟件設(shè)計中，時間是一個很重要的參數(shù)，很多控制邏輯和協(xié)議都有時間約束，定時是實(shí)現(xiàn)這些控制邏輯和協(xié)議的關(guān)鍵手段[1]。在嵌入式系統(tǒng)中，一般而言，硬件定時器的數(shù)量少于定時應(yīng)用的數(shù)量，因此，不可能為每一個定時應(yīng)用單獨(dú)分配一個硬件定時器。在這種情況下，設(shè)計一種軟件定時器，使用單個硬件定時器模擬多個軟件定時器來滿足應(yīng)用中的定時需要，成為一種比較通用的做法。

參考文獻(xiàn)[2]提出了一種基于單個硬件定時器實(shí)現(xiàn)多個定時應(yīng)用的方法，根據(jù)定時值從小到大的順序維護(hù)定時項鏈表，每次加入一個新的定時項，都需要更新鏈表，而且需要在硬件定時器中斷處理程序中不斷更新硬件定時周期設(shè)置，這種方式需要考慮中斷處理程序執(zhí)行時間對各個定時項的影響。參考文獻(xiàn)[3]定義了全局軟件定時器數(shù)組，但是沒有描述軟件定時器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且只是針對單次定時，沒有考慮多次定時和循環(huán)定時，而且在硬件定時器中斷處理函數(shù)中對全局軟件定時器數(shù)組進(jìn)行操作容易引起中斷處理程序執(zhí)行時間過長，導(dǎo)致中斷嵌套，引發(fā)堆棧溢出等問題。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種采用單個定時器管理進(jìn)程取代多個定時任務(wù)進(jìn)程的方式，解決了多個定時進(jìn)程消耗內(nèi)存資源的問題。但是它采用鏈表的形式管理定時任務(wù)，鏈表以指針形式動態(tài)分配軟件定時器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存，在功能安全上不如靜態(tài)分配，而且加入一個新的定時器可能需要更新硬件定時器的中斷觸發(fā)時間，會造成激活定時器的計時時間誤差，多次更新會造成相當(dāng)可觀的累積誤差。

本文設(shè)計了一種嵌入式軟件定時器管理方法[5]，實(shí)現(xiàn)了在單個硬件定時器的基礎(chǔ)上模擬多個軟件定時器，將前臺硬件定時器中斷服務(wù)程序和后臺軟件定時器管理程序結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單次定時、多次定時和循環(huán)定時應(yīng)用，同時保證了中斷服務(wù)程序的短小，避免了中斷嵌套等問題。

1 方案設(shè)計

根據(jù)定時應(yīng)用的特點(diǎn)及分類，以結(jié)構(gòu)體的形式設(shè)計一種涵蓋單次定時、多次定時和循環(huán)定時三種類型定時的軟件定時器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用一個靜態(tài)分配的軟件定時器節(jié)點(diǎn)數(shù)組來定義所有的定時任務(wù)[6]。

系統(tǒng)上電后，首先初始化硬件定時器和所有軟件定時器節(jié)點(diǎn)，硬件定時器以固定的時間間隔觸發(fā)MCU，執(zhí)行中斷服務(wù)程序(記為HT_ISR)，軟件定時器管理程序(記為ST_MG)在主循環(huán)體中循環(huán)執(zhí)行，處理系統(tǒng)中所有軟件定時器節(jié)點(diǎn)。通過HT_ISR和ST_MG的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對軟件定時器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的管理。同時提供可以在系統(tǒng)的任何位置自由調(diào)用的API，以啟動、停止、查詢某個軟件定時器節(jié)點(diǎn)。整個系統(tǒng)執(zhí)行過程如圖1所示。

圖1 定時器管理系統(tǒng)流程圖

定義一個相對計時時間，記為Timer_ticked，表示未被軟件定時器計時的時間。HT_ISR以累加方式更新相對計時時間，軟件定時器管理程序完成對軟件定時器節(jié)點(diǎn)數(shù)組的操作后，清零相對計時時間。通過相對計時時間，保證了所有軟件定時器節(jié)點(diǎn)的同步計時和準(zhǔn)確計時。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件定時器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

軟件定時器節(jié)點(diǎn)Timer_Node以{軟件定時器ID, 激活狀態(tài), 定時次數(shù), 超時次數(shù), 循環(huán)標(biāo)識,定時值, 計時值, 回調(diào)函數(shù)}表示，其中的狀態(tài)變量即結(jié)構(gòu)體成員變量，各個成員變量的標(biāo)識、含義、取值范圍如表1所列。

表1 軟件定時器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2 HT_ISR設(shè)計

MCU上電初始化時，設(shè)置硬件定時器的中斷周期為T并使能中斷，硬件定時器以T為時間間隔，觸發(fā)MCU執(zhí)行HT_ISR。在HT_ISR中，累加相對計時時間的數(shù)值，累加值為T，即Timer_ticked += T。

2.3 ST_MG程序設(shè)計

軟件定時器管理程序在主循環(huán)體中循環(huán)執(zhí)行，處理所有軟件定時器節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行完所有軟件定時器節(jié)點(diǎn)的處理程序后，清零相對計時值。程序流程如圖2所示。

圖2 軟件定時器管理程序流程圖

2.4 軟件定時器節(jié)點(diǎn)處理程序設(shè)計

軟件定時器節(jié)點(diǎn)處理程序流程如圖3所示，具體描述如下：

① 查詢該軟件定時器節(jié)點(diǎn)是否處于激活狀態(tài)。如果處于空閑狀態(tài)，不進(jìn)行任何處理，進(jìn)入步驟⑥；如果處于激活狀態(tài)，將軟件定時器節(jié)點(diǎn)的計時值累加，增量為相對計時時間的數(shù)值。

② 比較軟件定時器節(jié)點(diǎn)的計時值和定時值，如果計時值小于定時值。進(jìn)入步驟⑥；如果計時值大于或等于定時值，判斷軟件定時器節(jié)點(diǎn)是否為循環(huán)定時器。

③ 判斷軟件定時器節(jié)點(diǎn)是否為循環(huán)定時器，如果是循環(huán)定時器。重啟本軟件定時器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入步驟⑤；如果不是循環(huán)定時器，將定時次數(shù)減1。

④ 判斷定時次數(shù)是否為0。如果定時次數(shù)為0，停止軟件定時器節(jié)點(diǎn)；如果定時次數(shù)不為0，重啟本軟件定時器節(jié)點(diǎn)。

⑤ 查詢該軟件定時器節(jié)點(diǎn)是否存在定時回調(diào)函數(shù)。如果存在定時回調(diào)函數(shù)，調(diào)用定時回調(diào)函數(shù)；如果不存在定時回調(diào)函數(shù)，不進(jìn)行任何處理。

⑥ 退出軟件定時器節(jié)點(diǎn)處理程序。

圖3 軟件定時器節(jié)點(diǎn)處理程序流程圖

3 實(shí)施案例

以筆者所設(shè)計的BCM為例，軟件定時器包括檢測輸入信號的周期性定時器、喂看門狗的周期性定時器、監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)的周期性定時器、蜂鳴器報警的多次定時器、總線busoff后恢復(fù)通信的單次定時器等，首先以可讀性較強(qiáng)的枚舉類型定義定時器ID如下：

typedef enum{

INPUT_DETECT_PTMR = 0,

FEED_WATCHDOG_PTMR,

SYS_MONITOR_PTMR,

BEEPTWEET_TTMR,

……

BUSOFF_TTMR,

……

MAX_TMR,

}e_TimerId;

軟件定時器ID的枚舉值取值范圍為[0，N-1]，其中，N為軟件定時器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。枚舉值根據(jù)各個定時應(yīng)用的具體邏輯命名。在初始化階段，將軟件定時器ID初始化為對應(yīng)的數(shù)組成員的下標(biāo)，即Timer[i].timer_id=i，在系統(tǒng)運(yùn)行階段，便可以可讀性強(qiáng)的枚舉類型的軟件定時器ID作為數(shù)組下標(biāo)引用相應(yīng)的軟件定時器，比如以Timer[INPUT_DETECT_PTMR]引用輸入信號檢測定時器，以Timer[FEED_WATCHDOG_PTMR]引用喂看門狗的周期性定時器，避免了以整型變量為下標(biāo)引用特定定時器時需要查找出該定時器對應(yīng)的下標(biāo)的麻煩。

提供啟動單次定時器、啟動多次定時器、啟動周期性定時器、停止定時器、重啟定時器、查詢定時器狀態(tài)的API函數(shù)如下：

void SingleTimerStart(e_TimerId timer_id,uint32_t timeout,TMR_CALLBACK callback);

void MultiTimerStart(e_TimerId timer_id,uint32_t timeout,uint8_t cnt_times,TMR_CALLBACK callback);

void CycleTimerStart(e_TimerId timer_id,uint32_t timeout,TMR_CALLBACK callback);

void TimerStop(e_TimerId timer_id);

void TimerReStart(e_TimerId timer_id);

uint8_t TimerIsActive(e_TimerId timer_id);

假如，BCM以10 ms為周期檢測輸入信號，輸入信號檢測函數(shù)為InputDetect()，需要調(diào)用的函數(shù)為：

CycleTimerStart(INPUT_DETECT_PTMR,10,InputDetect);

在軟件定時器管理程序、硬件定時器中斷服務(wù)程序的作用下，BCM就會以10 ms為周期調(diào)用InputDetect()函數(shù)。

結(jié) 語