SmartTimer的開發思路_ZenDei技術網路在線

今天來講一講我開發SmartTimer的思路。在上一篇介紹SmartTimer的文章 "《SmartTImer——一個基於STM32的時鐘管理器》" 中，我提到了要實現延遲XX毫秒執行XX函數的功能，比較好的方式是在定時器中斷中設置溢出標誌，而在程式主迴圈中檢測這個標誌，如果標誌置位則運行回調函數。 ...

今天來講一講我開發SmartTimer的思路。在上一篇介紹SmartTimer的文章《SmartTImer——一個基於STM32的時鐘管理器》中，我提到了要實現延遲XX毫秒執行XX函數的功能，比較好的方式是在定時器中斷中設置溢出標誌，而在程式主迴圈中檢測這個標誌，如果標誌置位則運行回調函數。這樣不僅可以實現非同步的操作，最大化利用MCU的計算資源，而且可以最小化定時器的中斷時間。只不過每設置一個定時器事件，就需要為這個事件設定全局標誌位，並且為其單獨計數、檢測標誌位。如果處理不好，將會使全局標誌散落在程式的各個角落，不僅使程式結構臃腫，而且會留下bug隱患。

基於以上原因，我明確了SmartTimer的開發目的，就是統一管理各個定時器事件，將定時計數、判斷定時溢出，執行回調函數都封裝起來。使用者在SmartTimer外部不必關心具體的內部實現，只需要用一行語句即可完成非同步延遲的操作，不必進行額外的操作。除了簡便外另一個好處是，即便定時器部分出現了程式上的bug，也使得問題更加集中，便於定位bug而進行修改。

在對外功能上，提供runlater，runloop，delay這三個功能。

SmartTimer的初步構想

明確了開發目的，就開始構建SmartTImer了。我考慮的SmartTimer架構其實很簡單，總體上分為三大塊，如下圖所示：

簡要說明一下這個系統框圖：

用戶調用runlater、runloop、delay後，會從記憶體池中拿出一個event對象並初始化，push進event鏈表中；
定時器中斷函數每隔Xms執行一次，遍歷整個event鏈表，給每個event事件定時+1，並判斷定時時間是否到達。如果到達則將該事件的溢出計數+1；如果定時迴圈次數不為0，則重新計數，否則將該事件對象從event鏈表中轉移到recycle數組中。
在主while迴圈中，查詢mark table，如某事件的溢出計數大於0則執行對應的回調函數，並將溢出計數-1；查詢recycle數組，如果有需要回收的event事件，則釋放資源到記憶體池中。

架構出來後，本著先完成再優化的原則，稍微考慮下優化方針，就可以動手實現了。由於SmartTimer沒有搶占機制，所以屬於非實時性工具。但理論上來說，如果以上描述的3大塊程式都執行的非常快，那麼就可以理解為接近“實時”了。所以為了提高實時性，需要提高程式的執行速度。在代碼優化上，我主要採用了空間換時間的方法，犧牲了一部分記憶體來換取執行速度。主要用在event pool上，以及用數組映射來設置溢出標誌和執行回調函數等地方。

SmartTimer的初步實現

首先抽象出定時器事件的定義：

    struct stim_event{
      uint16_t interval;   //定時事件的定時間隔 
      uint16_t now;        //定時事件的當前計數  
      uint16_t looptimes;  //loop次數 
      uint8_t addIndex;    //事件對象在記憶體池中的序號 
      uint8_t stat;        //定時事件的當前狀態
      struct stim_event *next;
      struct stim_event *prev;
    };

從結構體定義上可以看出，我準備用雙向鏈表來組織這些定時器事件。用鏈表而不是數組來構建事件list，是因為定時器事件的加入和移除是動態的，且有時會從list中間增減事件，所以用鏈表比數組更加合理。

在SmartTimer初始化時，會預先創建一個stim_event的數組作為event pool來使用。另外還會創建兩個元素數量與event pool相同的數組，一個是MarkArray，用來存儲event的溢出計數；一個是CallbackArray，用來存儲回調函數的函數指針。event、溢出計數、回調函數用stim_event中的addIndex聯繫起來。

event->addIndex為該event在event pool數組中的序號(數組下標)，相應的MarkArray和CallbackArray數組中，序號為event->addIndex的元素，存儲著該event的溢出計數和回調函數指針。當某個event計時時間到，那麼MarkList中第event->addIndex個元素溢出計數+1，將CallbackArray數組中第event->addIndex個元素存儲的函數指針調用一次。

定時器中斷函數，主要是遍歷event鏈表，進行定時計數並判斷是否定時溢出。

    void stim_tick (void)
    {
      struct stim_event *tmp;
      if (event_list.count == 0)
        return;
    
      tmp = event_list.head;
        
      while(tmp != NULL){ //遍歷event鏈表
        if(tmp->stat != STIM_EVENT_ACTIVE){
                tmp = tmp->next;
          continue;
        }
        
        if(tmp->now == tmp->interval){
          mark_list[tmp->addIndex] += 1;  //時間到，溢出計數+1
                if((tmp->looptimes != STIM_LOOP_FOREVER) && 
                    (--tmp->looptimes == 0)){   // 迴圈次數為0，移除事件鏈表
                    tmp->stat = STIM_EVENT_RECYCLE;
                    recycle_list[recycle_count] = tmp;
                    recycle_count++;
                }
          tmp->now = 0;
        }
    
        tmp->now++;
        tmp = tmp->next;
      }
    }

在主while迴圈中，主要是執行callback函數，以及回收event事件對象

    void stim_mainloop ( void )
    {
      uint8_t i;
      struct stim_event *tmp;
      
      for(i = 0; i < STIM_EVENT_MAX_SIZE; i++){  //檢查溢出標誌，並執行回調函數
        if((mark_list[i] != STIM_INVALID) && (mark_list[i] > 0)){
          if(callback_list[i] != NULL){
            callback_list[i]();
          }
          mark_list[i] -= 1;
        }
      }
    
      if(recycle_count > 0){
        for(i = 0; i < STIM_EVENT_MAX_SIZE; i++){  //如果有需要回收的event，則回收對象
          tmp = recycle_list[i];
          if(tmp != NULL && mark_list[tmp->addIndex] == 0){
            pop_event(tmp);
            recycle_list[i] = NULL;
            recycle_count--;
            break;
          }
        }
      }
    
    }

以上是SmartTimer 1.0版本的核心代碼。至此，SmartTimer已經可以運行起來了，它大致上完成了我的設計目的，但是並沒有完成我的設計目標——它運行的效率並不高，這樣以來，實時性就會大打折扣。但是SmartTimer的設計架構我認為還是合理的，只需在這個框架內對調度演算法進一步優化，就可以更完善了。下一篇文章，我會介紹我的優化思路和實現方法，敬請期待！

SmartTimer的應用技巧

在《SmartTImer——一個基於STM32的時鐘管理器》中，我已經詳細介紹過SmartTimer的一般使用方法，不再贅述，下麵來簡單談談高級用法。

我們先來看看傳統的單片機程式架構：

    void main (void)
     {
       system_init();    //系統初始化
       peripheral_init();//外設初始化
       while(1){
          switch(step){  //主程式狀態機
             case A: // do something
                     break;
             case B: //do something
                     break;
              ……
             default: //do something
                     break;
          }

          usart_driver();//串口驅動
          timer_event_handler();//定時器事件處理
          ……
       } 
     }

一般來說都是先進行系統各項初始化，然後就進入了主while迴圈中，在while迴圈中，主要執行系統狀態機，用來完成當發生xx事後，執行xx函數的功能。在狀態機之外，有一些輔助性的功能，例如系統Led呼吸燈驅動、串口驅動、定時事件回調函數等等。

我們單看主while迴圈內的部分，做一個最簡模型。如果假定switch狀態機部分的執行需要100ms，串口驅動執行需要10ms，定時器事件處理執行需要20ms，那麼while內的程式每迴圈一次使用130ms。我們其實可以換個角度來看這段程式，即switch狀態機每隔30ms執行一次，串口驅動每隔120ms執行一次，而定時事件處理函數每隔110ms執行一次。

是不是很神奇？如果基於時間的角度來考慮問題，那麼本來交織在一起的程式被輕易的模塊化了，模塊化的好處顯而易見，不僅程式架構簡單清晰，而且便於維護。利用SmartTimer的runloop功能可以輕鬆實現基於時間的模塊化程式架構。我們來看看將上面的例子進行基於時間的模塊化修改：

    static void state_machine(void)
    {
      switch(step){  //主程式狀態機
        case A: // do something
          break;
        case B: //do something
          break;
          ……
        default: //do something
            break;
      }
    }

    
    void main (void)
    {
      system_init();    //系統初始化
      peripheral_init();//外設初始化
    
      stim_loop(30,state_machine,STIM_LOOP_FOREVER);     
      stim_loop(120,usart_driver,STIM_LOOP_FOREVER);   
      stim_loop(110,timer_event_handler,STIM_LOOP_FOREVER);
      ……
      while(1){
        stim_mainloop();
      } 
    }

架構是不是瞬間變簡潔了？另外，照這個思路考慮問題，狀態機部分的程式也可以分解成若幹個模塊，使程式更加簡潔、優雅。