一种嵌入式系统软件定时器的实现

1.什么是软件定时器

软件定时器是一种由程序模拟的定时器，在需要使用大量定时器的情况下，可以通过一个硬件定时器模拟成许多软件定时器，这样可以克服硬件资源有限的问题。软件定时器的一个优点是数量不受限制。

然而，由于软件定时器是通过程序来实现的，它的运行和维护会消耗一定的CPU资源，并且相对于硬件定时器，它的精度也稍差一些。

2.软件定时器的实现原理

在像Linux、uC/OS和FreeRTOS等操作系统中，都提供了软件定时器，它们的实现原理基本相同。典型的实现方式是：利用一个硬件定时器产生固定的时钟节拍，每当硬件定时器中断发生时，就对一个全局的时间标记进行加一操作。每个软件定时器都记录着自己的到期时间。

程序需要定期扫描所有正在运行的软件定时器，将每个定时器的到期时间与全局时钟标记进行比较，以判断是否到期。如果到期，则执行相应的回调函数，并关闭该定时器。

上述是单次定时器的实现方式。如果需要实现周期性定时器，即到期后继续重新定时，只需要在执行完回调函数后，获取当前时间标记的值，加上延时时间，作为下一次定时器到期的时间，然后继续运行该软件定时器即可。

3.基于STM32的软件定时器

3.1 时钟节拍

软件定时器需要一个硬件时钟源作为基准，这个时钟源有一个固定的节拍(可以理解为秒针的每次滴答)，用一个32位的全局变量tickCnt来记录这个节拍的变化：

static volatile uint32_t tickCnt = 0;    //软件定时器时钟节拍

每来一个节拍就对tickCnt加一(记录滴答了多少下)：

/* 需在定时器中断内执行 */
void tickCnt_Update(void)
{
    tickCnt++;
}

一旦开始运行，tickCnt将不停地加一，而每个软件定时器都记录着一个到期时间，只要tickCnt大于该到期时间，就代表定时器到期了。

3.2 数据结构

软件定时器的数据结构决定了其执行的性能和功能，一般可分为两种：数组结构和链表结构。什么意思呢？这是(多个)软件定时器在内存中的存储方式，可以用数组来存，也可以用链表来存。

两者的优劣之分就是两种数据结构的特性之分：数组方式的定时器查找较快，但数量固定，无法动态变化，数组大了容易浪费内存，数组小了又可能不够用，适用于定时事件明确且固定的系统；链表方式的定时器数量可动态增减，易造成内存碎片(如果没有内存管理)，查找的时间开销相对数组大，适用于通用性强的系统，Linux，uC/OS，FreeRTOS等操作系统用的都是链表式的软件定时器。

本文使用数组结构：

static softTimer timer[TIMER_NUM];        //软件定时器数组

数组和链表是软件定时器整体的数据结构，当具体到单个定时器时，就涉及软件定时器结构体的定义，软件定时器所具有的功能与其结构体定义密切相关，以下是本文中软件定时器的结构体定义：

typedef struct softTimer {
    uint8_t state;           //状态
    uint8_t mode;            //模式
    uint32_t match;          //到期时间
    uint32_t period;         //定时周期
    callback *cb;            //回调函数指针
    void *argv;              //参数指针
    uint16_t argc;           //参数个数
}softTimer;

定时器的状态共有三种，默认是停止，启动后为运行，到期后为超时。

typedef enum tmrState {
    SOFT_TIMER_STOPPED = 0,  //停止
    SOFT_TIMER_RUNNING,      //运行
    SOFT_TIMER_TIMEOUT       //超时
}tmrState;

模式有两种：到期后就停止的是单次模式，到期后重新定时的是周期模式。

typedef enum tmrMode {
    MODE_ONE_SHOT = 0,       //单次模式
    MODE_PERIODIC,           //周期模式
}tmrMode;

不管哪种模式，定时器到期后，都将执行回调函数，以下是该函数的定义，参数指针argv为void指针类型，便于传入不同类型的参数。

typedef void callback(void *argv, uint16_t argc);

上述结构体中的模式state和回调函数指针cb是可选的功能，如果系统不需要周期执行的定时器，或者不需要到期后自动执行某个函数，可删除此二者定义。

3.3 定时器操作

3.3.1 初始化

首先是软件定时器的初始化，对每个定时器结构体的成员赋初值，虽说static变量的初值为0，但个人觉得还是有必要保持初始化变量的习惯，避免出现一些奇奇怪怪的BUG。

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

3.3.2 启动

启动一个软件定时器不仅要改变其状态为运行状态，同时还要告诉定时器什么时候到期(当前tickCnt值加上延时时间即为到期时间)，单次定时还是周期定时，到期后执行哪个函数，函数的参数是什么，交代好这些就可以开跑了。

void softTimer_Start(uint16_t id, tmrMode mode, uint32_t delay, callback *cb, void *argv, uint16_t argc)
{
    assert_param(id 

上面函数中的assert_param()用于参数检查，类似于库函数assert()。

3.3.3 更新

本文中软件定时器有三种状态：停止，运行和超时，不同的状态做不同的事情。停止状态最简单，啥事都不做；运行状态需要不停地检查有没有到期，到期就执行回调函数并进入超时状态；超时状态判断定时器的模式，如果是周期模式就更新到期时间，继续运行，如果是单次模式就停止定时器。这些操作都由一个更新函数来实现：

void softTimer_Update(void)
{
    uint16_t i;
    
    for(i=0; icase SOFT_TIMER_STOPPED:
              break;
        
          case SOFT_TIMER_RUNNING:
              if(timer[i].match break;
            
          case SOFT_TIMER_TIMEOUT:
              if(timer[i].mode == MODE_ONE_SHOT) {
                  timer[i].state = SOFT_TIMER_STOPPED;
              } else {
                  timer[i].match = tickCnt_Get() + timer[i].period;
                  timer[i].state = SOFT_TIMER_RUNNING;
              }
              break;
        
          default:
              printf("timer[%d] state error!\r\n", i);
              break;
      }
  }
}

3.3.4 停止

如果定时器跑到一半，想把它停掉，就需要一个停止函数，操作很简单，改变目标定时器的状态为停止即可：

void softTimer_Stop(uint16_t id)
{
    assert_param(id 

3.3.5 读状态

又如果想知道一个定时器是在跑着呢还是已经停下来？也很简单，返回它的状态：

uint8_t softTimer_GetState(uint16_t id)
{
    return timer[id].state;
}

或许这看起来很怪，为什么要返回，而不是直接读？别忘了在前面3.2节中定义的定时器数组是个静态全局变量，该变量只能被当前源文件访问，当外部文件需要访问它的时候只能通过函数返回，这是一种简单的封装，保持程序的模块化。

3.4 测试

最后，当然是来验证一下我们的软件定时器有没达到预想的功能。

定义三个定时器：

定时器TMR_STRING_PRINT只执行一次，1s后在串口1打印一串字符；

定时器TMR_TWINKLING为周期定时器，周期为0.5s，每次到期都将取反LED0的状态，实现LED0的闪烁；

定时器TMR_DELAY_ON执行一次，3s后点亮LED1，跟第一个定时器不同的是，此定时器的回调函数是个空函数nop()，点亮LED1的操作通过主循环中判断定时器的状态来实现，这种方式在某些场合可能会用到。

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();
        }
    }
}

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