一种高效率的定时器管理模块设计

引  言

定时器是通信协议正常运行的基本要素之一，主要用于各种定时和帧重传的任务。通信协议在单片机系统上实现所使用的定时器，定时精度要求不高，但数量要求比较大。由于硬件资源有限，不可能为每一个单独任务分配一个硬件定时器，只能通过单个硬件定时器模拟多个软件定时器的方法，来满足协议中的定时应用需要。

用一定的数据结构将这些软件定时器组织起来，并提供统一的调用接口，称为“定时器管理”。目前定时器管理主要有2种实现方法：

①静态数组法。将定时器节点存储在数组中。优点是逻辑简单，占用ROM较少。但这种方案有明显的缺点：当硬件定时器中断发生时，要对所有定时器节点进行减法操作，时间开销很大，且时延不确定(与定时器数目相关)。

②delta链表法。按照定时器的定时值升序排列，形成链表。后一个定时器的定时值是前面所有定时器的值加上本节点的值。这样，在每次的时钟中断处理中，只需对第1个定时器节点进行减法操作，大大减少了时间开销。但是，该方案逻辑复杂，ROM用量大，需要频繁分配回收内存，容易形成内存碎片。

1  定时器管理模块的设计

定时器管理模块的设计基于静态数组法。使用一个定时器节点数组来保存所有的定时请求，数组的每一项代表一个可用的定时器节点。每一个定时器节点都有一个状态项，表示该定时器正处于空闲、使用或溢出状态。定时器的定时值和定时器超时后要发送的消息也存储在定时器节点中，从而实现用一个硬件定时器为用户提供多个软件定时器。

为了解决中断处理时间开销大的问题，在模块中引入一个辅助定时器，辅助定时器的值总是等于所有定时器节点中的最小定时值。在硬件定时器中断处理中，仅对辅助定时器进行减法操作，从而大大缩短了中断处理的时间。设计原理如图1所示。


2定时器管理模块的实现

2.1  数据结构和函数接口

定时器管理模块使用的相关数据结构定义如下：



字段state保存了定时器节点的状态，可能取值为空闲(T_FREE)、使用(T_INUSE)或溢出(T_OVERFLOW)。

字段count保存了定时器节点的定时值，最大取值为65 535。如果设置硬件定时器中断为10 ms，则软件定时器最大定时约为655 s，可以满足大多数应用需要。

字段msg指向定时器的用户消息。在启动定时器时，指向消息的指针被保存在此字段。当定时时间结束后，中断处理函数会自动发出这个消息以通知用户任务。

由于数组的下标是唯一的，可作为识别节点的唯一ID号。下文中提到的节点ID号均表示节点在数组中的下标。

MAX_TIMER_NUM表示系统允许的最大定时器数，其值取决于具体应用需要。

本模块提供的关键接口函数如下：


2.2定时器的初始化

使用定时器管理模块前，需要进行定时器的初始化。主要是初始化定时器节点数组，将每一个定时器节点设置为空闲状态，同时将辅助定时器置零，辅助ID指向0xFF(表示空)。

2.3定时器的启动

启动一个定时器，主要是将节点数组中一个空闲状态的节点置为使用状态。如果这个新启用的定时器，是所有定时器中定时值最小的，还要更新辅助定时器。函数以指向定时器消息的指针和定时值为参数，启动定时器流程如图2所示。成功启动定时器后，返回该定时器节点的ID号。



2.4定时器的删除

在目标定时器到期之前，由于某种原因用户可能会要求取消定时器。如重发定时器，用户在发送数据帧后启动该定时器，并等待对方返回响应帧。如果在定时时间结束时没有收到响应帧，用户就需要重发原数据帧；如果在定时时间结束之前收到响应帧，用户就需要马上取消该定时器，然后进行下一次通信过程。

删除定时器函数以定时器节点ID号作为输入参数，将定时器节点设为空闲状态，并根据需要更新辅助定时器，流程如图3所示。


2.5定时器的驱动

软件定时器的驱动由硬件定时器提供。在硬件定时器中断中，首先将辅助定时器的值减1。如果辅助定时器值为0，则表示定时值最小的定时器已经超时，应将对应的消息发送给用户任务，将节点置为空闲状态，并重新计算其他节点的定时值，同时查找定时值最小的节点，更新辅助定时器。驱动流程如图4所示。

关键代码如下：


结  语

本文设计的定时器管理器模块，具有逻辑简单、效率高的特点，在实验室自主研发的无线传感器网络中得到应用。在共包含30个节点的温、湿、光信息采集系统中，使用该定时器管理模块的无线传感器网络协议运行高效、稳定。