大家好，我是驚覺。失蹤了三個(gè)月，我回來了。給大家?guī)硪粋€(gè)好消息和一個(gè)壞消息。壞消息是，我尚未滿血復(fù)活，Ardupilot第四篇將繼續(xù)延期。好消息是，公眾號(hào)恢復(fù)更新，先出一系列提升編碼能力的文章。

全國電賽在即，昨天母校老師聯(lián)系我，想讓我給學(xué)弟們做下賽前培訓(xùn)。我做過很多年的培訓(xùn)，很早就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：同學(xué)們?cè)跒楸荣愖鰷?zhǔn)備時(shí)，往往只注重去學(xué)習(xí)使用各種各樣的傳感器，自動(dòng)控制算法，各種驅(qū)動(dòng)。同學(xué)們只關(guān)注如何去實(shí)現(xiàn)功能，而忽視了如何把代碼寫得更好，更健壯，更易擴(kuò)展和維護(hù)。如果在比賽之前，先準(zhǔn)備好高質(zhì)量的代碼框架，基礎(chǔ)模塊，熟練掌握調(diào)度技巧，將極大提高賽時(shí)的開發(fā)和調(diào)試效率。

所謂高質(zhì)量，涉及到很多方面，比如：

• 函數(shù)、變量的命名有統(tǒng)一的規(guī)則
• 基礎(chǔ)接口要簡(jiǎn)單易用
• 設(shè)計(jì)模塊時(shí)需層次分明，高內(nèi)聚低耦合
• 盡量避免重復(fù)代碼

筆者不打算一一講解這些設(shè)計(jì)原則，而是介紹一些實(shí)際的基礎(chǔ)模塊，講解它們的設(shè)計(jì)思路，注意事項(xiàng)和編程技巧，并在此過程中讓大家理解相關(guān)的設(shè)計(jì)原則。

毫秒級(jí)定時(shí)模塊

作為系列開篇，本文先介紹一個(gè)非?；A(chǔ)的模塊：毫秒級(jí)定時(shí)模塊。

友情提醒，本模塊比較基礎(chǔ)，可能有的同學(xué)對(duì)此非常熟悉，不過文末還有一個(gè)重要的小技巧噢。有基礎(chǔ)的同學(xué)，可直接往后翻，跳到“再看comm_delay”一節(jié)。

此模塊提供基礎(chǔ)的定時(shí)功能，可細(xì)分為兩種：

• 延時(shí)功能：毫秒極延時(shí)。
• 定時(shí)功能：過一段時(shí)間后執(zhí)行一項(xiàng)操作。

可能有的同學(xué)會(huì)想，直接用單片機(jī)的定時(shí)器嘛，一個(gè)任務(wù)用一個(gè)定時(shí)器，有啥好講的。其實(shí)不然。定時(shí)模塊肯定要依賴于硬件定時(shí)器，但是一個(gè)任務(wù)用一個(gè)定時(shí)器的話，會(huì)有如下問題：

• 浪費(fèi)資源。硬件定時(shí)器不僅僅只有定時(shí)功能，還有捕獲輸入信號(hào)，輸出PWM，編碼器等功能。如果濫用基礎(chǔ)定時(shí)功能的話，等用到上述功能時(shí)，將無資源可用。
• 某個(gè)任務(wù)與某個(gè)定時(shí)器綁定在一起，提高了系統(tǒng)耦合程度，可移植性差。

因此，我們需要一個(gè)統(tǒng)一的，可移植性強(qiáng)的定時(shí)模塊。

我們?cè)倩仡^看下兩個(gè)基礎(chǔ)的功能，延時(shí)和定時(shí)。

延時(shí)示例，1秒打印1次hello。comm_delay實(shí)現(xiàn)毫秒極延時(shí)。

定時(shí)示例，1秒打印1次hello。comm_get_ms返回當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，即系統(tǒng)從啟動(dòng)到現(xiàn)在經(jīng)過了多少毫秒。

uint32_t comm_get_ms(void);

while (1)
{
    cur_time = comm_get_ms();
    if (cur_time >= timeout)
    {
        printf('hello\r\n');
        timeout = cur_time + 1000;
    }
}

可能有的同學(xué)覺得上述兩項(xiàng)功能差不多，而定時(shí)比延時(shí)的代碼要復(fù)雜。定時(shí)的代碼確實(shí)多一些，不過它具有并發(fā)能力，即支持多個(gè)定時(shí)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。

定時(shí)示例，1秒打印1次you，2秒打印1次me。

小結(jié)：

• 延時(shí)功能需要提供一個(gè)延時(shí)函數(shù)。
• 定時(shí)功能需要提供獲取系統(tǒng)時(shí)間的函數(shù)。

即：

void comm_delay(uint32_t ms);
uint32_t comm_get_ms(void);

其實(shí)延時(shí)函數(shù)很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗部梢钥闯墒且粋€(gè)定時(shí)任務(wù)：

系統(tǒng)時(shí)間

實(shí)現(xiàn)comm_get_ms，即記錄系統(tǒng)時(shí)間，自然要靠硬件定時(shí)器啦。大家用的單片機(jī)，無論是TI，STM32，NXP等，大部分都是cortex-m的內(nèi)核，該內(nèi)核有一個(gè)專門干這事情的定時(shí)器：SysTick timer。其名稱為系統(tǒng)滴答定時(shí)器，只有簡(jiǎn)單的定時(shí)功能。配置好reload計(jì)數(shù)并使能后，其由reload值遞減至0，觸發(fā)中斷，再從reload遞減。如果根據(jù)其時(shí)鐘配置相應(yīng)的reload值，實(shí)現(xiàn)每1ms觸發(fā)1次中斷，那就可以記錄毫秒 級(jí)的系統(tǒng)時(shí)間。

其配置函數(shù)位于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)庫的CMSIS組件中，一般的工程都包含了這個(gè)組件，比如筆者使用TRUEStudio創(chuàng)建的工程：

下面是stm32的示例。SystemCoreClock為單片機(jī)的主頻，這也是SysTick的輸入時(shí)鐘。SystemCoreClock / 1000即為1ms的定時(shí)計(jì)數(shù)，將reload配置為此值即可實(shí)現(xiàn)每1ms觸發(fā)1次定時(shí)中斷。其他單片機(jī)方法類似。

#include 'stm32l1xx.h'
#include <stdint.h>

static uint32_t  sys_tick = 0;

void sys_tick_init(void)
{
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000));
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0);
}

uint32_t sys_tick_get(void)
{
    return sys_tick;
}

void SysTick_Handler(void)
{
    sys_tick++;
}

用法非常簡(jiǎn)單，單片機(jī)啟動(dòng)時(shí)調(diào)用sys_tick_init配置并使能SysTick，每1ms觸發(fā)1次SysTick_Handler，其內(nèi)對(duì)當(dāng)前時(shí)間sys_tick進(jìn)行加1操作。應(yīng)用層通過sys_tick_get獲取當(dāng)前時(shí)間。

SysTick_Handler在中斷向量表中指定，大家根據(jù)具體的MCU對(duì)號(hào)入座。

comm_get_ms只需對(duì)sys_tick_get進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝：

再看comm_delay

我們?cè)倏匆幌潞撩霕O延時(shí)的實(shí)現(xiàn)，大家覺得它有問題嗎？

void comm_delay(uint32_t ms)
{
    uint32_t timeout = comm_get_ms() + ms;
    while(comm_get_ms() < timeout);
}

對(duì)于只需要進(jìn)行幾分鐘演示的電賽來說，它沒有問題。不過，電賽只是同學(xué)們實(shí)踐所學(xué)的一條途徑。正兒八經(jīng)的產(chǎn)品，需要具有足夠的健壯性，可長期穩(wěn)定地運(yùn)行。上述代碼能長期運(yùn)行嗎？

comm_get_ms是對(duì)sys_tick_get的簡(jiǎn)單封裝，而sys_tick_get返回的是一個(gè)32位無符號(hào)整型變量，它記錄的是系統(tǒng)從啟動(dòng)到現(xiàn)在所經(jīng)過的毫秒數(shù)。32位無符號(hào)整型變量最大能表示多長的時(shí)間呢？

2^32 / 1000 / 3600 / 24 = 49.71

其可記錄49天。在49天后，sys_tick將會(huì)溢出，從零重新開始累加。為了方便描述，要使用到一個(gè)宏UINT32_MAX。UINT32_MAX表示32位無符號(hào)整型變量的最大值，即0xffffffff。

假設(shè)我們要延時(shí)1分鐘，即60000ms。當(dāng)前時(shí)間為UINT32_MAX - 59999，下面計(jì)算timeout。

timeout發(fā)生溢出，計(jì)算結(jié)果為0。

UINT32_MAX - 59999 + 60000 = UINT32_MAX + 1 = 0

那么下面的等待循環(huán)將立刻退出，而不需要等待1分鐘。

在接下來的1分鐘內(nèi)，comm_get_ms(60000)都是失效的，每1分鐘執(zhí)行1次的任務(wù)將不停地執(zhí)行。還有其他溢出的場(chǎng)景，這里不再一一描述。我們只要明確一點(diǎn)就好：comm_delay不能長期運(yùn)行。

健壯的comm_delay

怎么修改comm_delay以解決溢出問題呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，直接給出答案：

void comm_delay(uint32_t ms)
{
    uint32_t timeout = comm_get_ms() + ms;
    while(comm_get_ms() - timeout > UINT32_MAX / 2);
}

我們簡(jiǎn)單地驗(yàn)證幾個(gè)場(chǎng)景：

當(dāng)前時(shí)間為10ms，延時(shí)2ms。

先計(jì)算timeout：timeout = 10 + 2 = 12

下面看看從現(xiàn)在開始，什么時(shí)候while(comm_get_ms() - timeout > UINT32_MAX / 2);會(huì)退出。

• 第0ms秒時(shí)，當(dāng)前時(shí)間為10，10 - 12 = -2，請(qǐng)注意，comm_get_ms() - timeout中的操作數(shù)都是uint32_t類型，即32位無符號(hào)整型，它們相減的結(jié)果還是無符號(hào)整型。所以-2 --> UINT32_MAX - 1 > UINT32_MAX / 2，循環(huán)繼續(xù)。
• 第2秒時(shí)，當(dāng)前時(shí)間為12，12 - 12 = 0 < UINT32_MAX / 2，循環(huán)等待結(jié)束。

此種場(chǎng)景，成功實(shí)現(xiàn)延時(shí)2ms。

當(dāng)前時(shí)間為(UINT32_MAX - 1)ms，延時(shí)2ms。

之所以定成UINT32_MAX - 1，是想測(cè)試時(shí)間溢出的場(chǎng)景，2ms后時(shí)間溢出。

先計(jì)算timeout，timeout在加2時(shí)溢出，最終結(jié)果為0。timeout = (UINT32_MAX - 1) + 2 = UINT32_MAX + 1 = 0

下面看看從現(xiàn)在開始，什么時(shí)候while(comm_get_ms() - timeout > UINT32_MAX / 2);會(huì)退出。

• 第0秒時(shí)，當(dāng)前時(shí)間為(UINT32_MAX - 1)，(UINT32_MAX - 1) - 0 = (UINT32_MAX - 1) > UINT32_MAX / 2，循環(huán)繼續(xù)。
• 第2秒時(shí)，當(dāng)前時(shí)間如timeout一樣加2溢出，最終為0。0 - 0 = 0 < UINT32_MAX / 2，循環(huán)等待結(jié)束。

此種場(chǎng)景，成功實(shí)現(xiàn)延時(shí)2ms。

總結(jié)

經(jīng)過兩種情況的測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)，無論計(jì)算過程中時(shí)間有無溢出，改進(jìn)后的comm_delay都圓滿完成延時(shí)。

這種實(shí)現(xiàn)的原理是什么呢？原理很重要噢，否則大家在使用時(shí)，可能把大于和小于關(guān)系搞反，或者是把被減數(shù)與減數(shù)的關(guān)系搞反。至于原理是什么呢，今天來不及講了，請(qǐng)待下回分解。劇透一下，下篇的名字叫：張三與李四誰跑的快。