实时操作系统的忙等延迟实现

摘要

在嵌入式系统开发里，经常会遇到要将一个操作“延迟”一段时间执行的情况，下面的一段led blink就是一段最简单而标准的案例（据说是嵌入式领域的hello world）：

while(1) {
LED_ON;
Sleep(1000);
LED_OFF;
Sleep(1000);
}

LED第一秒点亮，接下来第二秒灭掉，第三秒点亮，第四秒再灭掉，如此周而复始。这里的sleep函数一般都是将Task暂时设为睡眠或者挂起的状态，同时在后台有一个计数的机制，待时间超时，再将任务重新唤醒。也就是说，这是一个“闲等”的实现，在sleep的时间里会将CPU让出去给其它Task以运行的机会。虽然说主动和别人share CPU是一种好的习惯，但有的时候，我们也需要另外一种“忙等”的机制，考虑以下几个场景：

1 在做外设驱动时，有时候某些寄存器配置下去不会立即生效，而可能需要一小段时间等待，外设硬件的状态才会正确

2 键盘驱动程序，在判断到一次按键按下之后，需要做去抖，防止一次按下触发多次重复操作，一般需要加一个几毫秒的忙等机制

3 做过单片机的同学都知道，经常要用IO接口输出高低电平来模拟I2C、SPI等接口协议，这些硬件时序的高低电平需要维持稳定一段时间，而且一般都比较短，几十到几百微秒级别，这时候是不能用sleep的，原因是sleep的计时一般都由systick来累加，而systick的频率一般都在毫秒级

在上面的几种场景里，就需要用忙等的延迟，用大白话来说，就是“我需要休息一下再往前走，因为时间不长，我不想把CPU让出去”。有单片机开发经验的同学看到这个需求，很自然的想到一个方法是根据CPU主频计算每秒可执行的指令数量，再实现一个函数，让CPU在里面循环想要的次数，从而达到延迟的目的。例如CPU每秒可执行100万条指令，如果我想延迟1ms,就可以让CPU循环执行1000条无意义的空指令。这种方法在经典的“前后台系统模型”（main函数就只有一个无限循环，以中断作为驱动）里是适用的，但是在运行RTOS的系统里，就可能会有比较大的误差。请看下面这张示意图：



当前有3个相同优先级的任务在轮转运行（关于时间片轮转请参考实时操作系统的任务调度示例之时间片），Task1在它的10ms时间片里先正常运行了5ms，然后调用一个delay函数，本意是延迟10ms,但是在delay函数运行了5ms之后，Task1的时间片耗尽，开始运行Task2，紧接着又运行Task3,各运行了10ms之后，才回到Task1，它又继续刚才未完成的循环，运行5ms之后，退出delay函数，这整个delay的时间就达到了5+10+10+5=30ms。这种场景下，比较好的实现应该是下面这样：



小结一下：针对前面描述的几个问题，我们需要一个好用的delay函数，它至少需要具备两个特点

1 精度要够高，可以到10us级别，如果硬件允许的话，当然还要更高

2 不能被调度器打断

本文基于以上两个需求，实现了一种忙等delay的方法，硬件平台是STM32F103VET6，操作系统是FreeRTOS V7.2.0。

先看代码实现

先把代码贴上，后面再来分析

#include "stm32f10x_tim.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "misc.h"
#include "..\FreeRtos\inc\mpu_wrappers.h"

static unsigned int delay_cnt;

void Delay_Timer_Init()
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能TIM3的时钟

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1;  //定时器自动重装载的周期值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =359;   //预分频系数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;        //设置TIM3的中断参数
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);   //先将TIM3设为disable的
}

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static int cnt = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
if (delay_cnt)
{
delay_cnt--;
if (!delay_cnt)
TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);   //如果延迟结束，停止定时器中断
}
}
}

void u_delay(unsigned int us)
{
if (!us)
return;

if (us < 10)
{
delay_cnt = 1;
}
else
{
delay_cnt = us/10;
}
vTaskSuspendAll();       //关闭调度器
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);   //打开TIM3的定时器中断
while(delay_cnt)         //原地打转等定时器中断将delay_cnt减为0
;
xTaskResumeAll();        //打开调度器
}

void m_delay(unsigned int ms)
{
u_delay(1000 * ms);
}

Delay_Timer_Init函数是对计数定时器的初始化，应该在使用delay函数之前调用。u_delay的参数单位是us,m_delay的参数单位是ms

高精度定时器

前面已经提到，系统tick一般都是毫秒级的，为达到微秒级的精度，需要用STM32的硬件定时器来实现计数功能，这里用的是普通定时器TIM3，它的定时器周期计算公式为：

              (1 + TIM_Period) * ((1 + TIM_Prescaler)/72000000)

将代码里的TIM_Period(1)和TIM_Prescaler(359)代入公式，可以得出定时器周期为了10us,理论上还能再高，但实测结果精度就会变得较差。另外为了降低CPU的开销，在延迟结束时，总是将定时器暂时disable掉，有延迟请求了再次打开。

开关调度器到底干了什么？

这节我们来看FreeRTOS的调度器是怎么开关的，首先是关

void vTaskSuspendAll( void )
{
++uxSchedulerSuspended;
}

居然就只有这么简单一句话，将uxSchedulerSuspended变量加1，那么uxSchedulerSuspended加1了以后会影响什么？答案在任务上下文的切换过程中,

void vTaskSwitchContext( void )
{
if( uxSchedulerSuspended != ( unsigned portBASE_TYPE ) pdFALSE )
{
xMissedYield = pdTRUE;
}
else
{
//do the context switch
}

如果uxSchedulerSuspended不为0的话，就不能做任务上下文的切换，也就是所谓的任务调度切换，而是只讲变量xMissedYield记为TRUE，它是在调度器重新打开的时候，提醒调度器，至少有一次本应执行的调度被错过了。xTaskResumeAll函数的关键代码片段贴在下面

portBASE_TYPE xYieldRequired = pdFALSE;

//遍历Pending的链表，将转为就绪的任务添加到就绪链表里
while( listLIST_IS_EMPTY( ( xList * ) &xPendingReadyList ) == pdFALSE )
{
pxTCB = ( tskTCB * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY(  ( ( xList * ) &xPendingReadyList ) );
vListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );
vListRemove( &( pxTCB->xGenericListItem ) );
prvAddTaskToReadyQueue( pxTCB );

if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority )
{
xYieldRequired = pdTRUE;   //如果有更高优先级的task在关闭调度器期间转为就绪态了，需要进行任务切换
}
}
//调度器关闭期间系统的tick count是不增加的，这里再重新打开调度器后需要对它进行补偿
if( uxMissedTicks > ( unsigned portBASE_TYPE ) 0U )
{
while( uxMissedTicks > ( unsigned portBASE_TYPE ) 0U )
{
vTaskIncrementTick();
--uxMissedTicks;
}

#if configUSE_PREEMPTION == 1
{
xYieldRequired = pdTRUE;    //如果用户配置了抢占，那么此时必然做一次任务调度
}
#endif
}

if( ( xYieldRequired == pdTRUE ) || ( xMissedYield == pdTRUE ) ) //执行一次调度的条件
{
xAlreadyYielded = pdTRUE;
xMissedYield = pdFALSE;
portYIELD_WITHIN_API();  //将PendSV中断置位，执行一次任务调度
}