一種高效軟件定時(shí)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦玉蒙， 王婭男， 邱春玲

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春130026)

0 引 言

在單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)中，經(jīng)常用到定時(shí)控制，比如延遲控制、超時(shí)控制和計(jì)時(shí)控制等。尤其是多任務(wù)處理中，對(duì)定時(shí)的需求很大。為了獲得所需要的定時(shí)，需求準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)，產(chǎn)生這種時(shí)間準(zhǔn)確通常有兩種方法:硬件定時(shí)器和軟件定時(shí)器。

單片機(jī)都含有硬件定時(shí)器，它通過對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)，定時(shí)準(zhǔn)確，使用方便，但是單片機(jī)內(nèi)部的硬件定時(shí)器數(shù)量有限，軟件定時(shí)器應(yīng)運(yùn)而生，它以硬件定時(shí)器的定時(shí)中斷為基礎(chǔ)，利用軟件方法來實(shí)現(xiàn)，定時(shí)更長，使用更靈活。

在應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，定時(shí)器工作方式復(fù)雜，受限于單片機(jī)內(nèi)部資源數(shù)量，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的軟件定時(shí)器無法直接套用;多人開發(fā)時(shí)，代碼風(fēng)格因人而異，定時(shí)器的管理無法統(tǒng)一，給多人協(xié)作開發(fā)和后期維護(hù)帶來了不便。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種軟件定時(shí)器，在單個(gè)硬件定時(shí)器上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)軟件定時(shí)器，代碼經(jīng)過封裝標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)單片機(jī)的特性進(jìn)行了優(yōu)化，可作為一個(gè)獨(dú)立模塊嵌入到單片機(jī)軟件系統(tǒng)中;所有代碼都符合ANSI-C 標(biāo)準(zhǔn)，易讀易用，在多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中可以大大簡化軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜性，方便多人協(xié)作開發(fā)和后期維護(hù)。

1 高效軟件定時(shí)器的設(shè)計(jì)

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，硬件定時(shí)器以固定的頻率運(yùn)行，形成周期性的中斷，稱之為“時(shí)鐘節(jié)拍”［1-7］。本軟件定時(shí)器以時(shí)鐘節(jié)拍為定時(shí)基準(zhǔn)源，通過軟件計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘節(jié)拍的累計(jì)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)。

本軟件定時(shí)器模塊由函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，可作為一個(gè)獨(dú)立模塊嵌入到單片機(jī)軟件架構(gòu)中，如圖1所示。硬件定時(shí)器驅(qū)動(dòng)層為軟件定時(shí)器提供穩(wěn)定的時(shí)鐘節(jié)拍，驅(qū)動(dòng)處理算法有序運(yùn)行。由于單片機(jī)的RAM容量有限，動(dòng)態(tài)鏈表作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯然很不適合，選用數(shù)組、輔助變量和宏定義配合的方式作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既滿足了軟件定時(shí)器數(shù)量可控，又滿足了動(dòng)態(tài)使用需求。接口函數(shù)統(tǒng)一管理所有軟件定時(shí)器，方便使用。此外，考慮到數(shù)據(jù)臨界態(tài)和用戶輸入的不確定性，添加了加鎖保護(hù)和輸入校驗(yàn)，提高了軟件的魯棒性［8-10］。

圖1 軟件定時(shí)器模塊架構(gòu)

2 高效軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)

2.1 高效軟件定時(shí)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于軟件定時(shí)器數(shù)量較多，所以為軟件定時(shí)器設(shè)計(jì)了一個(gè)核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SoftwareTimer，其定義如下:

每個(gè)SoftwareTimer 結(jié)構(gòu)的實(shí)例定義了一個(gè)軟件定時(shí)器。其中:Count 用于設(shè)置時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)值;CallBackFuction 是計(jì)時(shí)時(shí)間到后執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)指針，其類型為函數(shù)指針類型，對(duì)function 的定義如下:

typedef void (* function )(void );

本軟件定時(shí)器數(shù)量缺省配置為8，通過數(shù)組進(jìn)行管理，其定義如下:

struct SoftwareTimer Block［Sum］;

define Sum 8 //軟件定時(shí)器數(shù)量

雖然軟件定時(shí)器從存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上是靜態(tài)的，但是在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到動(dòng)態(tài)使用的需求，將軟件定時(shí)器設(shè)計(jì)為先激活后使用，用完即回收。因此，定義了一個(gè)就緒表變量，用來標(biāo)記8 個(gè)定時(shí)器的ID 號(hào)和工作狀態(tài)，其定義如下:

uchar State = 0;

2.2 高效軟件定時(shí)器的處理算法

軟件定時(shí)器的處理算法在時(shí)鐘節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，其軟件流程圖如圖2 所示，在時(shí)鐘節(jié)拍中，對(duì)已開啟的軟件定時(shí)器的時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)值減1，并判斷時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)值是否溢出，如果溢出，表明定時(shí)時(shí)間到，立即執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，并更新就緒表，在操作就緒表時(shí)，不允許有更高級(jí)的中斷進(jìn)入操作軟件定時(shí)器，所以在處理過程中需要加鎖保護(hù)。本軟件定時(shí)器的處理算法通過函數(shù)TimerTickTask 實(shí)現(xiàn)，通過此函數(shù)對(duì)已開啟的軟件定時(shí)器進(jìn)行上述處理，其代碼定義如下:

圖2 軟件定時(shí)器處理算法流程圖

2.3 高效軟件定時(shí)器的接口函數(shù)

本軟件定時(shí)器提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，軟件定時(shí)器接口函數(shù)包括軟件定時(shí)器啟動(dòng)函數(shù)SoftwareTimerStart 和軟件定時(shí)器關(guān)閉函數(shù)SoftwareTimerStop。SoftwareTimerStart 函數(shù)流程如圖3所示，通過該函數(shù)可以開啟一個(gè)軟件定時(shí)器，如果無可用軟件定時(shí)器，即開啟失敗，返回錯(cuò)誤碼。如果開啟成功，進(jìn)行時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)值和回調(diào)函數(shù)初始化，并把該軟件定時(shí)器在就緒表中的位置作為ID 號(hào)返回。

圖3 啟動(dòng)流程圖

通過SoftwareTimerStop 函數(shù)可以對(duì)該軟件定時(shí)器進(jìn)行關(guān)閉操作，并返回已計(jì)量的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)，其執(zhí)行流程如圖4 所示。

圖4 關(guān)閉流程圖

注意，軟件定時(shí)器受時(shí)鐘節(jié)拍驅(qū)動(dòng)，節(jié)拍精度直接影響軟件定時(shí)器的精度。回調(diào)函數(shù)直接在時(shí)鐘節(jié)拍中運(yùn)行，如果回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間超過時(shí)鐘節(jié)拍間隔時(shí)長，就會(huì)造成后續(xù)節(jié)拍的滯后，不僅影響定時(shí)精度，而且影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。所以回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間不能超過時(shí)鐘節(jié)拍間隔時(shí)長，如果回調(diào)函數(shù)需要較長時(shí)間運(yùn)行，可以在回調(diào)函數(shù)中置位一個(gè)標(biāo)志位，在大循環(huán)中掃描該標(biāo)志位執(zhí)行所需任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 誤差分析

軟件定時(shí)器開啟和關(guān)閉的理想時(shí)間段為時(shí)鐘節(jié)拍所用硬件定時(shí)器的中斷處理函數(shù)執(zhí)行期間［11-12］。但實(shí)際上軟件定時(shí)器的開啟和關(guān)閉時(shí)刻是隨機(jī)的，在操作某個(gè)軟件定時(shí)器時(shí)，由于開啟時(shí)刻和關(guān)閉時(shí)刻與時(shí)鐘節(jié)拍沒有對(duì)準(zhǔn)，會(huì)存在誤差，且其值可能是一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍內(nèi)的任意值，該誤差稱為啟動(dòng)誤差和關(guān)閉誤差。如圖5 所示，時(shí)刻1 和時(shí)刻3 為時(shí)鐘節(jié)拍所用硬件定時(shí)器的中斷處理起始時(shí)刻。如果在時(shí)刻2 開啟了一個(gè)軟件定時(shí)器，其啟動(dòng)誤差即為時(shí)刻1 與時(shí)刻2 之間的時(shí)間差值。如果在時(shí)刻4 停止了該軟件定時(shí)器，其關(guān)閉誤差即為時(shí)刻3 與時(shí)刻4 之間的時(shí)間差值。

圖5 誤差分析

啟動(dòng)誤差和關(guān)閉誤差無法完全消除，可以采用更快的時(shí)鐘節(jié)拍來減小誤差，但是這樣會(huì)導(dǎo)致CPU 頻繁進(jìn)出中斷，CPU 利用率不高，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，選擇合適的時(shí)鐘節(jié)拍，將這兩種誤差控制在可接受的范圍內(nèi)。

3.2 性能測試

在基于時(shí)鐘節(jié)拍的前后臺(tái)軟件架構(gòu)中，兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍之間的時(shí)間間隔稱為“時(shí)間片”［13］，為了分析軟件定時(shí)器的算法效率，以“時(shí)間片占用率”來進(jìn)行衡量。可以根據(jù)時(shí)間片占用率及應(yīng)用需求設(shè)定合適的時(shí)鐘節(jié)拍，獲取更高的定時(shí)精度［14-16］。

時(shí)間片占用率 = TimerTickTask 函數(shù)運(yùn)行時(shí)間/時(shí)間片。

測試環(huán)境:Keil C51 V4.11，芯片類型AT89C55，時(shí)鐘頻率設(shè)置為24 MHz。

測試方法:時(shí)間片設(shè)置為5 ms。在開啟時(shí)鐘節(jié)拍所用硬件定時(shí)器之前，開啟軟件定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間設(shè)置為5 ms，回調(diào)函數(shù)為空函數(shù)。時(shí)鐘節(jié)拍中只有TimerTickTask 函數(shù)。使用KEIL 軟件仿真得到測試結(jié)果如表1 所示。

由測試結(jié)果可知，每增加一個(gè)軟件定時(shí)器，TimerTickTask 函數(shù)運(yùn)行時(shí)間增加約為45 μs，時(shí)間片占用率增加約為0.9%;AT89C55 在24 MHz 時(shí)鐘下的指令處理速度為2 MIPS，性能有限，在8 個(gè)軟件定時(shí)器全部開啟的極端情況下，時(shí)間片占用率不到8%，可見該軟件定時(shí)器算法具有較高的執(zhí)行效率。在更高級(jí)的單片機(jī)中可將時(shí)間片進(jìn)一步縮小，保證性能的同時(shí)可獲得更高的定時(shí)精度。

表1 性能測試

4 應(yīng)用舉例

本軟件定時(shí)器使用靈活，應(yīng)用場合廣泛，例如，按鍵音、串口讀超時(shí)判斷和界面顯示超時(shí)判斷等。如果兩個(gè)軟件定時(shí)器嵌套使用，還可實(shí)現(xiàn)不等長度的周期性定時(shí)。

4.1 串口讀超時(shí)判斷

在單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，尤其是51 內(nèi)核單片機(jī)，在串口開發(fā)中，需要一個(gè)硬件定時(shí)器提供波特率，還需要一個(gè)硬件定時(shí)器用于串口讀超時(shí)判斷，造成硬件定時(shí)器資源緊張，本軟件定時(shí)器可以很好解決這個(gè)問題，首先根據(jù)需要編寫ReadTimerOut 函數(shù)，此函數(shù)時(shí)是在串口讀超時(shí)后要執(zhí)行的任務(wù)。設(shè)時(shí)間片為1 ms，串口數(shù)據(jù)流中斷10 ms 即認(rèn)為超時(shí)，其判斷代碼如下:

在上述代碼中TimerID 變量有兩個(gè)作用，一是記錄定時(shí)器ID，二是用來判斷串口數(shù)據(jù)流的起始字節(jié)。如果是起始字節(jié)，開啟一個(gè)軟件定時(shí)器，再次讀串口時(shí)關(guān)閉上一次開啟的軟件定時(shí)器，開啟一個(gè)軟件定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)。

4.2 軟件定時(shí)器嵌套

本軟件定時(shí)器靈活使用，會(huì)把復(fù)雜設(shè)計(jì)變得簡單，在工控領(lǐng)域，經(jīng)過用到不等長周期性定時(shí)用于測試設(shè)備。設(shè)時(shí)間片為1 ms，利用本軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)工作1 s停3 s 這樣的不等長周期性定時(shí)的代碼如下:

TaskStart 函數(shù)開啟任務(wù)后，開啟一個(gè)軟件定時(shí)器，定時(shí)1 s 后回調(diào)TaskSop 函數(shù)，TaskSop 函數(shù)關(guān)閉任務(wù)，開啟一個(gè)軟件定時(shí)器，定時(shí)3 s 后調(diào)TaskStart 函數(shù)。如此循環(huán)嵌套實(shí)現(xiàn)所需功能。

5 結(jié) 語

將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的定時(shí)器軟件管理思想引入單片機(jī)前后臺(tái)軟件架構(gòu)中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件定時(shí)器模塊，本模塊邏輯清楚，分層設(shè)計(jì)，并針對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了特殊優(yōu)化;采用動(dòng)態(tài)激活的方式使用，軟件定時(shí)器用完即回收，便于重復(fù)使用。誤差分析和性能測試表明本軟件定時(shí)器實(shí)用高效。利用本軟件定時(shí)器開發(fā)多任務(wù)系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約硬件定時(shí)器資源，而且可以大大加快單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。

［1］ Labrosse J. Inside Real-Time Kernels［C］//Conference Proceedings of Embedded Systems Conference East. 1997:205-214.

［2］ Labrosse J J. Microc/OS-II［M］. R ＆ D Books，1998.

［3］ Krishna C M. Real ‐ Time Systems［M］. John Wiley ＆ Sons，Inc.，1999.

［4］ Pont M J. Patterns for time-triggered embedded systems［J］. New York:Person Edueation，2001.

［5］ Dick R P，Lakshminarayana G，Raghunathan A，et al. Analysis of power dissipation in embedded systems using real-time operating systems［J］. Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，IEEE Transactions on，2003，22(5):615-627.

［6］ 李小群，趙慧斌，葉以民，等. RFRTOS:基于Linux 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［J］.軟件學(xué)報(bào)，2003，14(7):203-1212.

［7］ Love R，Are S H W，Linus A C，et al. Linux Kernel Development Second Edition［M］. 2004.

［8］ 李 凡，盧社階，邱 鵬，等. 在嵌入式應(yīng)用中增強(qiáng)Linux 實(shí)時(shí)性的方法研究［J］. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(2):82-85.

［9］ 嚴(yán)蔚敏，吳偉民. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，1992.

［10］ Shaffer C A. Solutions Manual:A Practical Introduction to Data Structures and Algorithm Analysis［M］. N. J.:Prentice Hall，1997.

［11］ 趙 霞，郭 耀，雷志勇，等. 基于模擬器的嵌入式操作系統(tǒng)能耗估算與分析［J］. 電子學(xué)報(bào)，2008，36(2):209-215.

［12］ 周 博，王石記，邱衛(wèi)東，等. SHUM-UCOS:基于統(tǒng)一多任務(wù)模型可重構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［J］. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006，29(2):208-218.

［13］ 徐久強(qiáng)，劉 輝，朱 劍，等. 一種基于時(shí)間片的搶占控制模型［J］. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，11:1570-1573.

［14］ 陳 俐，殷承良. 基于混合定時(shí)調(diào)度的車輛AMT 控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41(2):256-261.

［15］ 郭占社，孟永鋼，蘇才鈞. 基于Windows 的精確定時(shí)技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用［J］. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37(12):1717-1720.

［16］ Holenderski M，van den Heuvel M，Bril R J，et al. Grasp:Tracing，visualizing and measuring the behavior of real-time systems［C］//International Workshop on Analysis Tools and Methodologies for Embedded and Real-time Systems (WATERS). 2010:37-42.