今天給大家分享的是嵌入式里通用微秒(microseconds)計(jì)時(shí)函數(shù)框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)里，計(jì)時(shí)可以說(shuō)是非?；A(chǔ)的功能模塊了，其應(yīng)用也非常廣泛，比如可以輔助計(jì)算信號(hào)脈沖寬度時(shí)間，也可以直接用于常規(guī)延時(shí)等。相信很多人初次領(lǐng)略 MCU 的神奇，都是從計(jì)時(shí)功能相關(guān)小程序開(kāi)始的。

在 MCU 里要想實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)，往往都是利用其內(nèi)部硬件定時(shí)器。不同廠商的 MCU，其定時(shí)器設(shè)計(jì)與使用都不太一樣。即使是同一 MCU 內(nèi)，通常也會(huì)有好幾種不同類型的定時(shí)器共存。

基于此，今天分享一種非常簡(jiǎn)單實(shí)用的通用計(jì)時(shí)函數(shù)框架。這個(gè)框架的目的是統(tǒng)一計(jì)時(shí)函數(shù)接口，并且在實(shí)現(xiàn)上將通用部分和硬件相關(guān)部分剝離開(kāi)。這樣你的嵌入式項(xiàng)目在使用這個(gè)框架時(shí)，可以無(wú)縫快捷地切換底層定時(shí)器。

注：本框架主要適合定時(shí)器時(shí)鐘源不小于 1MHz 的 MCU，因?yàn)楹瘮?shù)接口里延時(shí)最小單元是 1us。對(duì)于一些定時(shí)器時(shí)鐘源低于 1MHz 的 MCU，可將本框架簡(jiǎn)單改成毫秒(milliseconds)計(jì)時(shí)函數(shù)。

一、微秒(microseconds)計(jì)時(shí)函數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1、函數(shù)接口定義

首先是設(shè)計(jì)通用計(jì)時(shí)函數(shù)框架頭文件：microseconds.h ，這個(gè)頭文件里直接定義如下 7 個(gè)接口函數(shù)原型。涵蓋必備的初始化流程init()、shutdown()，最核心的計(jì)時(shí)功能get_ticks()、convert_to_microseconds()，常用的延時(shí)功能delay()、set_delay()、is_timeout()。

//!@brief初始化計(jì)時(shí)
voidmicroseconds_init(void);
//!@brief關(guān)閉計(jì)時(shí)
voidmicroseconds_shutdown(void);
//!@brief獲取系統(tǒng)累計(jì)計(jì)數(shù)值
uint64_tmicroseconds_get_ticks(void);
//!@brief將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值(微秒)
uint32_tmicroseconds_convert_to_microseconds(uint64_tticks);
//!@brief阻塞型延時(shí)(微秒級(jí))
voidmicroseconds_delay(uint32_tus);
//!@brief設(shè)置超時(shí)時(shí)間（用于非阻塞型延時(shí)）
voidmicroseconds_set_delay(uint32_tus);
//!@brief判斷是否超時(shí)（用于非阻塞型延時(shí)）
boolmicroseconds_is_timeout(void);

2、通用函數(shù)實(shí)現(xiàn)

然后是設(shè)計(jì)通用計(jì)時(shí)函數(shù)框架共用源文件：microseconds_common.c，這個(gè)文件里涉及三個(gè)靜態(tài)全局變量定義，四個(gè)私有函數(shù)聲明，以及除了 get_ticks() 之外的 6 個(gè)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

其中 s_tickPerMicrosecond 變量存的是每微秒對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值，其實(shí)這個(gè)變量不是一定要定義的，可以在函數(shù)需要時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算，但為了小小提升框架性能，就在 init() 里將這個(gè)值先算出來(lái)了，方便其他函數(shù)直接使用。

s_highCounter 變量存的是定時(shí)器中斷次數(shù)，即高位計(jì)數(shù)器，因?yàn)榭蚣?get_ticks() 接口返回的是 64bit 的計(jì)數(shù)值，對(duì)于有些寬度小于 32bit 的定時(shí)器，我們常常需要開(kāi)啟定時(shí)器中斷，否則無(wú)法保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行線性計(jì)時(shí)的正確性（比如 100MHz 時(shí)鐘源的 32bit 定時(shí)器，最長(zhǎng)約 43 秒就會(huì)清零翻轉(zhuǎn)一次，需要 s_highCounter 變量記錄翻轉(zhuǎn)次數(shù)）。

當(dāng)然，如果 MCU 里能級(jí)連出 64bit 的定時(shí)器，就可以不用開(kāi)啟中斷（清零翻轉(zhuǎn)的時(shí)間特別長(zhǎng)，可近似認(rèn)為是永久），s_highCounter 此時(shí)就不需要了。

關(guān)于延時(shí)函數(shù)接口，delay() 用于阻塞型延時(shí)，即調(diào)用這個(gè)函數(shù)后一定是死等指定時(shí)間后才退出，系統(tǒng)會(huì)被強(qiáng)制掛起；set_delay()/is_timeout()用于非阻塞型延時(shí)，系統(tǒng)可以繼續(xù)干其他任務(wù)，在需要的時(shí)侯來(lái)查看一下超時(shí)時(shí)間是否到了即可。兩種延時(shí)各有各的用途。

//!

	

	二、微秒(microseconds)計(jì)時(shí)函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

	1、定時(shí)器相關(guān)實(shí)現(xiàn)（基于Cortex-M內(nèi)核的SysTick）

	最后是設(shè)計(jì) MCU 相關(guān)的通用計(jì)時(shí)函數(shù)框架源文件：microseconds_xxTimer.c，這里我們以 Cortex-M 系列 MCU 的內(nèi)核定時(shí)器 SysTick 為例。

	SysTick 是 24bit 遞減定時(shí)器，時(shí)鐘源有兩種配置：一是內(nèi)核主頻，二是外部時(shí)鐘（看廠商實(shí)現(xiàn)），最常用的時(shí)鐘源配置就是與內(nèi)核同頻。

	之前我們說(shuō)過(guò)，用 SysTick 這類寬度小于 32bit 的定時(shí)器，是需要開(kāi)啟定時(shí)器中斷的，所以 s_highCounter 會(huì)生效。get_ticks()是整個(gè)計(jì)時(shí)函數(shù)框架里最基礎(chǔ)也最核心的功能接口，這里面的實(shí)現(xiàn)有一個(gè)需要特別注意的地方，就是取系統(tǒng)當(dāng)前計(jì)數(shù)值可能會(huì)有數(shù)值回退的風(fēng)險(xiǎn)，需要使用代碼中 do {} while()；方式來(lái)確保正確性。

	
//!CTRL&=~(SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk|
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk|
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);
SysTick->VAL=0;
}

uint32_tmicroseconds_get_clock(void)
{
returnSystemCoreClock;
}

uint64_tmicroseconds_get_ticks(void)
{
uint32_thigh;
uint32_tlow;
//這里的實(shí)現(xiàn)要注意確保中斷發(fā)生時(shí)獲取系統(tǒng)累計(jì)計(jì)數(shù)值的正確性
do
{
//先緩存高位計(jì)數(shù)器
high=s_highCounter;
//再讀定時(shí)器實(shí)際計(jì)數(shù)值
low=~SysTick->VAL&SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;
}while(high!=s_highCounter);//保證緩存高位值與讀實(shí)際低位值間隙中沒(méi)有發(fā)生中斷

return((uint64_t)high<

	

	當(dāng)然還有很多具體 MCU 平臺(tái)的各種定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，因此這個(gè)項(xiàng)目會(huì)不斷更新，也歡迎大家來(lái)參與貢獻(xiàn)。

	至此，嵌入式里通用微秒(microseconds)計(jì)時(shí)函數(shù)框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)便介紹完畢了。

	

	審核編輯：湯梓紅