一種高效率的定時(shí)器管理模塊設(shè)計(jì)

引  言

定時(shí)器是通信協(xié)議正常運(yùn)行的基本要素之一，主要用于各種定時(shí)和幀重傳的任務(wù)。通信協(xié)議在單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)所使用的定時(shí)器，定時(shí)精度要求不高，但數(shù)量要求比較大。由于硬件資源有限，不可能為每一個(gè)單獨(dú)任務(wù)分配一個(gè)硬件定時(shí)器，只能通過(guò)單個(gè)硬件定時(shí)器模擬多個(gè)軟件定時(shí)器的方法，來(lái)滿足協(xié)議中的定時(shí)應(yīng)用需要。

用一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將這些軟件定時(shí)器組織起來(lái)，并提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，稱(chēng)為“定時(shí)器管理”。目前定時(shí)器管理主要有2種實(shí)現(xiàn)方法：

①靜態(tài)數(shù)組法。將定時(shí)器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)在數(shù)組中。優(yōu)點(diǎn)是邏輯簡(jiǎn)單，占用ROM較少。但這種方案有明顯的缺點(diǎn)：當(dāng)硬件定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)，要對(duì)所有定時(shí)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行減法操作，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)很大，且時(shí)延不確定(與定時(shí)器數(shù)目相關(guān))。

②delta鏈表法。按照定時(shí)器的定時(shí)值升序排列，形成鏈表。后一個(gè)定時(shí)器的定時(shí)值是前面所有定時(shí)器的值加上本節(jié)點(diǎn)的值。這樣，在每次的時(shí)鐘中斷處理中，只需對(duì)第1個(gè)定時(shí)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行減法操作，大大減少了時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。但是，該方案邏輯復(fù)雜，ROM用量大，需要頻繁分配回收內(nèi)存，容易形成內(nèi)存碎片。

1  定時(shí)器管理模塊的設(shè)計(jì)

定時(shí)器管理模塊的設(shè)計(jì)基于靜態(tài)數(shù)組法。使用一個(gè)定時(shí)器節(jié)點(diǎn)數(shù)組來(lái)保存所有的定時(shí)請(qǐng)求，數(shù)組的每一項(xiàng)代表一個(gè)可用的定時(shí)器節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)定時(shí)器節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)狀態(tài)項(xiàng)，表示該定時(shí)器正處于空閑、使用或溢出狀態(tài)。定時(shí)器的定時(shí)值和定時(shí)器超時(shí)后要發(fā)送的消息也存儲(chǔ)在定時(shí)器節(jié)點(diǎn)中，從而實(shí)現(xiàn)用一個(gè)硬件定時(shí)器為用戶提供多個(gè)軟件定時(shí)器。

為了解決中斷處理時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)大的問(wèn)題，在模塊中引入一個(gè)輔助定時(shí)器，輔助定時(shí)器的值總是等于所有定時(shí)器節(jié)點(diǎn)中的最小定時(shí)值。在硬件定時(shí)器中斷處理中，僅對(duì)輔助定時(shí)器進(jìn)行減法操作，從而大大縮短了中斷處理的時(shí)間。設(shè)計(jì)原理如圖1所示。


2定時(shí)器管理模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1  數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)接口

定時(shí)器管理模塊使用的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：



字段state保存了定時(shí)器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，可能取值為空閑(T_FREE)、使用(T_INUSE)或溢出(T_OVERFLOW)。

字段count保存了定時(shí)器節(jié)點(diǎn)的定時(shí)值，最大取值為65 535。如果設(shè)置硬件定時(shí)器中斷為10 ms，則軟件定時(shí)器最大定時(shí)約為655 s，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用需要。

字段msg指向定時(shí)器的用戶消息。在啟動(dòng)定時(shí)器時(shí)，指向消息的指針被保存在此字段。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，中斷處理函數(shù)會(huì)自動(dòng)發(fā)出這個(gè)消息以通知用戶任務(wù)。

由于數(shù)組的下標(biāo)是唯一的，可作為識(shí)別節(jié)點(diǎn)的唯一ID號(hào)。下文中提到的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)均表示節(jié)點(diǎn)在數(shù)組中的下標(biāo)。

MAX_TIMER_NUM表示系統(tǒng)允許的最大定時(shí)器數(shù)，其值取決于具體應(yīng)用需要。

本模塊提供的關(guān)鍵接口函數(shù)如下：


2.2定時(shí)器的初始化

使用定時(shí)器管理模塊前，需要進(jìn)行定時(shí)器的初始化。主要是初始化定時(shí)器節(jié)點(diǎn)數(shù)組，將每一個(gè)定時(shí)器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為空閑狀態(tài)，同時(shí)將輔助定時(shí)器置零，輔助ID指向0xFF(表示空)。

2.3定時(shí)器的啟動(dòng)

啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，主要是將節(jié)點(diǎn)數(shù)組中一個(gè)空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)置為使用狀態(tài)。如果這個(gè)新啟用的定時(shí)器，是所有定時(shí)器中定時(shí)值最小的，還要更新輔助定時(shí)器。函數(shù)以指向定時(shí)器消息的指針和定時(shí)值為參數(shù)，啟動(dòng)定時(shí)器流程如圖2所示。成功啟動(dòng)定時(shí)器后，返回該定時(shí)器節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)。



2.4定時(shí)器的刪除

在目標(biāo)定時(shí)器到期之前，由于某種原因用戶可能會(huì)要求取消定時(shí)器。如重發(fā)定時(shí)器，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后啟動(dòng)該定時(shí)器，并等待對(duì)方返回響應(yīng)幀。如果在定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)沒(méi)有收到響應(yīng)幀，用戶就需要重發(fā)原數(shù)據(jù)幀；如果在定時(shí)時(shí)間結(jié)束之前收到響應(yīng)幀，用戶就需要馬上取消該定時(shí)器，然后進(jìn)行下一次通信過(guò)程。

刪除定時(shí)器函數(shù)以定時(shí)器節(jié)點(diǎn)ID號(hào)作為輸入?yún)?shù)，將定時(shí)器節(jié)點(diǎn)設(shè)為空閑狀態(tài)，并根據(jù)需要更新輔助定時(shí)器，流程如圖3所示。


2.5定時(shí)器的驅(qū)動(dòng)

軟件定時(shí)器的驅(qū)動(dòng)由硬件定時(shí)器提供。在硬件定時(shí)器中斷中，首先將輔助定時(shí)器的值減1。如果輔助定時(shí)器值為0，則表示定時(shí)值最小的定時(shí)器已經(jīng)超時(shí)，應(yīng)將對(duì)應(yīng)的消息發(fā)送給用戶任務(wù)，將節(jié)點(diǎn)置為空閑狀態(tài)，并重新計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)的定時(shí)值，同時(shí)查找定時(shí)值最小的節(jié)點(diǎn)，更新輔助定時(shí)器。驅(qū)動(dòng)流程如圖4所示。

關(guān)鍵代碼如下：


結(jié)  語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的定時(shí)器管理器模塊，具有邏輯簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。在共包含30個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫、濕、光信息采集系統(tǒng)中，使用該定時(shí)器管理模塊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)行高效、穩(wěn)定。