一種嵌入式時(shí)鐘管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，在嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)中，低檔微處理器軟件多采用裸機(jī)開發(fā)模式實(shí)現(xiàn)。在這種開發(fā)模式中，常有如下需求：

(1)在經(jīng)歷特定的時(shí)間段后，執(zhí)行特定操作；

(2)根據(jù)給定周期執(zhí)行特定操作。

傳統(tǒng)的作法是利用前后臺(tái)方式：設(shè)定硬件定時(shí)器，使其在后臺(tái)以特定周期對(duì)各相關(guān)操作的標(biāo)志變量作計(jì)數(shù)操作；前臺(tái)則不斷對(duì)各標(biāo)志變量巡回查詢，若發(fā)現(xiàn)標(biāo)志變量達(dá)到預(yù)定值，則執(zhí)行特定操作。可見，上述需求需直接操作硬件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，其過程繁瑣，且需要用戶對(duì)相關(guān)硬件有深入了解。因此，本文設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了一種使用方便的低端系統(tǒng)時(shí)鐘管理器。

本時(shí)鐘管理器適用于可提供至少一個(gè)硬件定時(shí)器的處理器。其為用戶提供了有益、友好的裁剪途徑，以滿足不同目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際需要。通過裁剪，該時(shí)鐘管理器的目標(biāo)代碼最小可至100B以下，最大也不超過1KB。

時(shí)鐘管理器在實(shí)現(xiàn)中，將與硬件密切相關(guān)的部分組成一獨(dú)立模塊(文件)。針對(duì)不同的目標(biāo)系統(tǒng)處理器，更換該模塊即可。為使表述不過抽象，本文以8051系列單片機(jī)為目標(biāo)系統(tǒng)處理器、C51為工具語言闡述該嵌入式時(shí)鐘管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)

該時(shí)鐘管理器模塊(文件)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)cONfigClk.h定義了有關(guān)系統(tǒng)裁剪、配置的可調(diào)參數(shù)，通過對(duì)configClk.h中相關(guān)宏參數(shù)的配置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該時(shí)鐘管理器系統(tǒng)的配置和裁剪。

(2)clk_impl.*功能模塊用來封裝目標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)硬件定時(shí)器，以屏蔽不同處理器間的硬件差異，起到HAL(HardwareAbSTractLayer)作用。系統(tǒng)時(shí)鐘在此構(gòu)建。

(3)clk.*模塊在clk_impl.*提供的HAL基礎(chǔ)上進(jìn)一步封裝，通過一個(gè)鉤子(Hook)函數(shù)，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖，且脈沖寬度可調(diào)(配置configClk.h中的相關(guān)宏參即可)。

(4)WdLib.*模塊為用戶應(yīng)用提供多個(gè)軟件定時(shí)器。

2 實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件定時(shí)器的底層封裝

硬件定時(shí)器底層封裝在圖1所示的clk_impl.*中實(shí)現(xiàn)。其中定義了一個(gè)初始化接口函數(shù)和一個(gè)定時(shí)器中斷的ISR(Interrupt Service RouTIne)。令選用的硬件時(shí)鐘為定時(shí)器0(可在configClk.h中配置)。

(1)初始化接口函數(shù)void_clkInit(void){ }

用戶通過調(diào)用該接口函數(shù)，可周期性地執(zhí)行相應(yīng)的ISR—clkTick_ISR，從而形成邏輯上的系統(tǒng)時(shí)鐘。另外，本接口函數(shù)不為用戶直接訪問，而在上層模塊clk.*中被調(diào)用。

(2)定時(shí)器0的ISR—clkTick_ISR

　　void clkTick_ISR (void) interrupt 1 using REG_GRP_FOR_

　　SYS_CLK{ }

其中：REG_GRP_FOR_SYS_CLK為定義于configClk.h中的可調(diào)參數(shù)，用來設(shè)定本ISR的工作寄存器組。

2.2 時(shí)鐘脈沖的提供

時(shí)鐘脈沖在圖1所示的clk.*中實(shí)現(xiàn)。

本文提供三個(gè)用戶接口函數(shù)和一個(gè)用戶可修改、但不可調(diào)用的鉤子函數(shù)(clkTick_ISR_hook僅能在clkTick_ISR中被調(diào)用)。其用戶接口聲明如下：

　　extern void constructClk(void)；

　　extern void destructClk(void)；

　　extern UINT8 getClkRate(void)；

其中：constructClk用以構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)鐘，要使用本文所述的時(shí)鐘管理器，需首先通過調(diào)用_clkInit(定義于clk_impl.*模塊)實(shí)現(xiàn)對(duì)本函數(shù)的調(diào)用；destructClk用以解析業(yè)已構(gòu)建的系統(tǒng)時(shí)鐘；getClkRate用以獲取系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)鐘節(jié)拍率(即定義于configClk.h中的宏SYS_CLK_RATE的當(dāng)前值)。

clkTick_ISR_hook由系統(tǒng)聲明，用戶可修改其定義，其最終僅為系統(tǒng)作周期性調(diào)用。用戶可將自己需進(jìn)行的周期性操作放于其中，后面敘述的軟件定時(shí)器的“守護(hù)”例程(wdDaemon)正是置于此處而被周期調(diào)用。由于置于其中的操作將在中斷執(zhí)行，所以這些操作應(yīng)盡可能簡(jiǎn)短、省時(shí)。

2.3 軟件定時(shí)器的提供

本功能在圖1所示的wdLib.*中實(shí)現(xiàn)。

其為用戶提供了可快速、便捷地實(shí)現(xiàn)用戶定時(shí)需求的接口函數(shù)和一個(gè)被周期性調(diào)用的定時(shí)器守護(hù)例程wdDaemon。

　　extern void constructWDOG(void)；//為使用定時(shí)器系統(tǒng)作初始化操作

　　extern void destructWDOG(void)//置定時(shí)器系統(tǒng)為初始態(tài)

　　extern WDOG_ID wdCreate(void)；//建立一個(gè)定時(shí)器，并返回其ID

　　extern STATUS wdCancel(WDOG_ID wdId)；//終止指定定時(shí)器并復(fù)位

　　extern STATUS wdDelete(WDOG_ID wdId)；//刪除指定定時(shí)器

　　extern STATUS wdStart(WDOG_ID wdId，UINT16 ticks，VOIDFUNCPTR wdr)；//啟動(dòng)指定定時(shí)器，它會(huì)在指定時(shí)間后觸發(fā)給定操作

其中：WDOG_ID為定時(shí)器ID類型，即UINT8。傳送給wdStart的參數(shù)“UINT16 ticks”指明定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度，單位為系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，1節(jié)拍＝1/SYS_CLK_RATE(s)。因該參數(shù)的類型定為UINT16，故定時(shí)器的最大定時(shí)長(zhǎng)度為216×(1/SYS_CLK_RATE)，即216/SYS_CLK_RATE(s)。

定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)方案有靜態(tài)數(shù)組法和delta列表法兩種方法。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：前者邏輯簡(jiǎn)單，ROM用量小，但效率較低(與定時(shí)器數(shù)目相關(guān))；后者邏輯復(fù)雜，ROM用量大，但效率較高(與定時(shí)器數(shù)目無關(guān))。應(yīng)用中使用哪種方案，可在configClk.h中配置選擇。

2.3.1 靜態(tài)數(shù)組法

靜態(tài)數(shù)組法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

　　struct wdNode {

　　BOOL flag；//標(biāo)明本結(jié)點(diǎn)是否已被使用

　　UINT16 ticks；//用以定時(shí)的節(jié)拍數(shù)

　　VOIDFUNCPTR rout；//定時(shí)到時(shí)需執(zhí)行的操作

　　} data wdList[_MAX_WDOG_NUM_]；

其中：_MAX_WDOG_NUM_指出了系統(tǒng)中允許的最大定時(shí)器數(shù)，其值決定于應(yīng)用需求及系統(tǒng)資源量，可在configClk.h中設(shè)定。一個(gè)定時(shí)器結(jié)點(diǎn)占用5B的RAM空間。具有給定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)數(shù)組是方案實(shí)施的基礎(chǔ)。

另外，該靜態(tài)數(shù)組作為軟件定時(shí)器的全局變量而存在，當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)定時(shí)器活動(dòng)時(shí)，它們都將訪問該全局靜態(tài)數(shù)組。重要的是：它們的活動(dòng)是異步的，所以，對(duì)該靜態(tài)數(shù)組(臨界資源)的訪問需作臨界保護(hù)。對(duì)于51系統(tǒng)，應(yīng)采用開關(guān)中斷的方式實(shí)現(xiàn)，且應(yīng)確保不會(huì)影響關(guān)中斷前的中斷狀態(tài)。

(1)用戶接口定義

上述用戶接口皆基于該靜態(tài)數(shù)組進(jìn)行，限于篇幅，這里給出關(guān)鍵接口wdStart的定義。

　　STATUS wdStart(WDOG_ID wdId，UINT16 ticks，

　　VOIDFUNCPTR wdr) {

　　if(wdId_MAX_WDOG_NUM_) {

　　if(wdList[wdId].flag) {//判斷給定定時(shí)器ID有效否

　　RTX_ENTER_CRITICAL()；//進(jìn)入臨界區(qū)

　　wdList[wdId].ticks=ticks；//操作靜態(tài)數(shù)組中的特定定時(shí)結(jié)點(diǎn)

　　wdList[wdId].rout=wdr；

　　RTX_EXIT_CRITICAL()；//退出臨界區(qū)

　　return OK；//定時(shí)器啟動(dòng)成功

　　}

　　}

　　return ERROR；//給定定時(shí)器ID無效

　　}

調(diào)用該接口函數(shù)，即可啟動(dòng)已創(chuàng)建(wdCreate)的軟件定時(shí)器。當(dāng)經(jīng)歷ticks節(jié)拍后，給定函數(shù)wdr將被執(zhí)行，以完成用戶的定時(shí)需求。

(2)定時(shí)器守護(hù)例程

定時(shí)器守護(hù)例程wdDaemon被置于前述的鉤子函數(shù)clkTick_ISR_hook中，以使其周期性執(zhí)行。由于本例程自身的特點(diǎn)，它應(yīng)作為clkTick_ISR_hook的最后一個(gè)調(diào)用函數(shù)。本例程是軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的核心，而其關(guān)鍵又是對(duì)系統(tǒng)棧的調(diào)整，為說明其實(shí)現(xiàn)流程，給出了如圖2所示的wdDaemon的棧(stack)結(jié)構(gòu)。

由圖2可知：wdDaemon的返回地址沒有入棧，因其為clkTick_ISR_hook中的最后一個(gè)函數(shù)調(diào)用，故其返回地址被優(yōu)化掉。wdDaemon將棧頂?shù)?B數(shù)據(jù)上移2B，然后將定時(shí)器指定函數(shù)的地址插入騰出的棧空間(2B)中。如此，該地址將會(huì)被IRET彈入IP中。由于IRET指令的執(zhí)行而使中斷系統(tǒng)復(fù)位以重新響應(yīng)外部中斷，同時(shí)也使定時(shí)器指定函數(shù)在非中斷態(tài)執(zhí)行，從而不過分影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.3.2 delta列表法

delta列表法僅維護(hù)有效定時(shí)器的鏈表，且鏈表中的定時(shí)器結(jié)點(diǎn)按定時(shí)剩余時(shí)間由小到大排列，使距timeout點(diǎn)最近的定時(shí)器作為鏈表的首結(jié)點(diǎn)。鏈表中定時(shí)器結(jié)點(diǎn)的順序由其獨(dú)特的結(jié)點(diǎn)插入算法決定：如有5個(gè)定時(shí)器，其定時(shí)長(zhǎng)度分別為10、14、21、32和39，當(dāng)其組成delta列表時(shí)，定時(shí)值最小的結(jié)點(diǎn)為首結(jié)點(diǎn)，其定時(shí)存儲(chǔ)值為10，而后依序排列，其定時(shí)存儲(chǔ)值分別為4、7、11、7，即后一個(gè)定時(shí)器的定時(shí)存儲(chǔ)值由自己的實(shí)際定時(shí)值與相鄰的前一個(gè)定時(shí)器的實(shí)際定時(shí)值相減而得。可見，除首結(jié)點(diǎn)外的所有定時(shí)器的計(jì)數(shù)操作在其插入delta列表時(shí)就已完成。因而當(dāng)定時(shí)器守護(hù)例程確定timeout的定時(shí)器時(shí)，只需對(duì)首結(jié)點(diǎn)進(jìn)行減1或刪除的操作，而不需遍歷整個(gè)列表，從而使delta列表的操作與定時(shí)器數(shù)量無關(guān)。這使delta列表法在大量定時(shí)器管理中大顯其能。

該法在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一靜態(tài)雙向鏈表：

　　struct wdNode {

　　BOOL　　　　　　　　　　flag；

　　UINT16　　　　　　　　　ticks；

　　VOIDFUNCPTR rout；

　　UINT8　　　　　　　　　prior；

　　UINT8　　　　　　　　　next；

　　} idata wdList[_MAX_WDOG_NUM_]；

　　UINT8 headIdx； //索引首結(jié)點(diǎn)

有了delta列表法的思路及其實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在靜態(tài)數(shù)組法具體實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，便可得此法的具體實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用中如果目標(biāo)系統(tǒng)ROM較小，且系統(tǒng)中啟用的定時(shí)器少，則用靜態(tài)數(shù)組法；若目標(biāo)系統(tǒng)ROM較大，且系統(tǒng)中用到的定時(shí)器較多，則用delta列表法。

3 應(yīng)用

針對(duì)前述的嵌入式系統(tǒng)中的定時(shí)需求，利用定時(shí)器管理系統(tǒng)給出其實(shí)現(xiàn)代碼。

假定“特定操作”為void specFunc(void)，“特定時(shí)間段”長(zhǎng)度為10分鐘。

(1)在經(jīng)歷特定的時(shí)間段后，執(zhí)行特定操作。

　　#include ″clk.h″

　　#include ″wdLib.h″

　　void main(void ) {

　　WDOG_ID wdId；

　　constructClk()；constructWDOG()；

　　wdId=wdCreate()；

　　wdStart(wdId，10*ONE_MINUTE，specFunc)；

　　while(1)；

　　}

(2)以給定周期周期性地執(zhí)行特定操作。

基于前者，只需在void specFunc(void)函數(shù)體的最后加入下述代碼即可：

wdStart(wdId，10*ONE_MINUTE，specFunc)；

注：該給定周期為10分鐘。

由于本時(shí)鐘管理器只需一個(gè)硬件定時(shí)器的支持，所以其具有廣泛的適用性。使用時(shí)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，即可為裸露的目標(biāo)系統(tǒng)加以簡(jiǎn)單的軟件抽象層。其友好的用戶接口有效降低了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了目標(biāo)系統(tǒng)的可靠性。筆者已在實(shí)際項(xiàng)目中多次使用了該時(shí)鐘管理器。基于該時(shí)鐘管理器的目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，從而充分說明該時(shí)鐘管理器設(shè)計(jì)的實(shí)用性和科學(xué)性。