1.3.4 软件定时器
MCU51的硬件定时器通常只有三路：Timer1一般用于串口的时钟；Timer2用于系统节拍后；Timer0用于其他一路，这显然不能满足实际使用。为了解决硬件定时器的不足，基于系统节拍基础上，派生出软件定时器来模拟多路定时器，其效果类似硬件定时器，但因为是软件实现的，灵活多变，应用场合广泛，是MS的重要功能，软件定时器本质是延时执行，有以下场合需要用到：
1）闹钟，需要延时多长时间后执行。
2）按键音，按键检测到后，蜂鸣器发声，延时200ms后关闭。
3）进入某一个菜单，超过设定时间没有检测到按键，自动回到默认界面。
4）开启某一项测试，工作一定时间后关闭。
软件定时器本质是利用系统节拍作为计数时钟，每一路计数器都有一个开关，负责是否开启这一路软件定时器，它占用一个bit，最多8路也就是8 bit，恰好一个字节，对应状态变量State。
再模拟多路计数器Delay，最多8路，每一路的计数器的位数是16 bit，相当于最大计数65536，假设节拍为10ms，则最长延时时间为655.36s。Delay由TimerStart函数初始化时赋初值，之后利用节拍倒计时，倒计数为零时，产生一个软件定时器事件，这个时候，根据TimerStart函数初始化时设定的条件来执行注册的回调函数，执行的方式有两种，一种是直接在节拍中执行，一般适合执行开销低的函数；另外一种是抛出软件定时器消息，在大循环中处理注册的回调函数，这个适合执行开销高的函数。图1-13为软件定时器的原理架构图。
图1-13 软件定时器原理架构图
TimerStart（TimerMessage，1000，TimerCallBack）；这个函数表示延时1000个节拍，时间到了之后，调用执行TimerCallBack()这个函数。第一个参数TimerMessage表示处理的方式，在大循环消息中执行。
假如延时之后，再自我调用延时函数，则可实现自我循环功能。类似节拍功能，只是这个节拍时间比较长。假如采用两个软件定时器嵌套使用，则可以根据延时时间实现不等长度的周期性工作，比如工作3秒、停7秒，模拟工作状态，老化测试设备高。软件定时器可根据需求应用灵活，读者多多体会。以下是一个软件定时器间隔1000个节拍，自我循环打印的例子。
代码清单1-11：软件定时器示例
void TimerCallBack(void)
{
printf("软件定时器延时执行\n");
TimerStart(TimerMessage, 1000, TimerCallBack);
}
软件定时器由注册开始函数TimerStart、系统节拍例行函数TimerSystickRoutine和停止函数TimerStop组成。首先TimerStart函数需要把软件定时器的工作模式、延时时间、回调函数注册到相关的静态变量中，注册之后，TimerSystickRoutine函数被系统节拍例行调用，每调用一次，延时时间减一，当减到为零时，按存储的处理方式，开始执行存储的回调函数，之后把这一路定时器清空。延时时间及回调函数，大家很容易理解，工作模式难以理解，这是因为软件定时器是基于节拍模拟出来的，那么回调函数的执行，一种是直接在节拍中运行即可，但若这个回调函数速度比较慢，执行时间比较长，故不宜在节拍中执行，于是就增加了另一种模式，即把这个回调函数的地址，通过消息传递到大循环中，在大循环中执行，这部分内容在消息机制中已有讲解。
软件定时器处理模式有两种：一种是直接在节拍例行函数中直接执行，因为在节拍中执行，也就是在中断中执行，所以执行的回调函数不能太长，否则占用中断时间；但有些确实需要占用较长时间的，则采用另外一种处理模式，即通过消息抛出回调函数的函数入口地址，再在大循环中执行。处理模式枚举定义如下。
代码清单1-12：定时器处理类型枚举
typedef enum
{
TimerSystick = 0; // 系统节拍中处理
TimerMessage = 1; // 大循环消息中处理
}TimerModeEnum;
软件定时器的数据结构比较简单，TimerSum定义了定时器数量，State是一个8 bit类型的定时器就绪表，总共可以标记8路定时器就绪状态。Timer struct定义了延时时间Times和回调函数CallBackFunction类型变量，与后面的TimerBlock数组一起，用于存储延时时间和回调函数地址，Mode定义了工作模式。具体代码如下。
代码清单1-13：定时器数据类型
typedef struct
{
ushort Times;
function Function;
}TimerStruct;
#define TimerSum 0x4; // 定时器数量，不超过8 bit
static Byte idata State = 0; // 工作标记寄存器，共8路
static TimerModeEnum idata Mode; // 工作模式
static TimerStruct idata TimerBlock[TimerSum]; // 注册函数及次数存储数组
软件定时器启动函数TimerStart包括三个参数：mode（工作模式）、TimerModeEnum（枚举类型）、times（16 bit ushort类型），最大65535，MS默认节拍10ms，也就是说最大延时是655.35s，registerFunction是注册函数，直接是无参数的函数名，往往也叫回调函数。软件定时器，不推荐在中断中被调用启动。代码如下。
代码清单1-14：定时器启动
Byte TimerStart(TimerModeEnum mode, ushort times, function registerFunction)
{
Byte i;
EnterCritical();
for(i = 0; i < TimerSum; i++)
{
if(!GetBit(State, i))
{
TimerBlock[i].Times = times; // 注册节拍
TimerBlock[i].Function = registerFunction; // 注册函数
if(mode) // 工作模式
SetBit(Mode, i);
else
ResetBit(Mode, i);
SetBit(State, i); // 置位开启
ExitCritical();
return(i);
}
}
ExitCritical();
return(invalid);
}
软件定时器停止函数为TimerStop，参数为id，从TimerStart中获得，值为0，1，2…，代码如下。
代码清单1-15：定时器停止
void TimerStop(Byte id)
{
if (id >= TimerSum) return;
EnterCritical();
ResetBit(State, id);
ExitCritical();
}
软件定时器的运行是基于系统节拍的，实现计时，所以必须要有一个节拍例行处理函数。代码如下。
代码清单1-16：定时器系统节拍例行程序
void TimerSystickRoutine(void)
{
Byte i = 0, stateBackup;
if (State == 0x00) return; // 状态表为空，跳出
stateBackup = State; // 复制一份状态表
while (stateBackup)
{
if ((stateBackup & 0x01) == 1)
{
if ((--TimerBlock[i].Times) == 0)
{ // 计数递减到零时
if (GetBit(Mode, i)) // 获取工作模式
PostMessage(MessageTimer,(ushort)TimerBlock[i].Function);
// 大循环中处理
else
(TimerBlock[i].Function)(); // 系统节拍中处理
ResetBit(State, i); // 关闭这一路定时器
}
}
stateBackup = stateBackup >> 1; i++;
}
}
MS的软件定时器是动态的，注册建立一路定时器后，用完就回收，这种定时器适合RAM资源少的芯片，尤其是MCU51这类，以便于多次使用，满足大部分需求。但有些需求希望软件定时器是静态的，可以开始，可以结束，但不会释放这一路定时器，这样id号可一直不变，若再加入复位功能，可以比较简单地用于处理一些超时等待功能。比如，界面等待一个数字按键，若时间超过某一个值，返回默认界面，但在超时时间内再获得一个按键，超时重新复位，等待下一个按键，而这一功能目前动态定时器完成起来较麻烦。此外，模拟软件定时器的自我循环，采用消息的是大循环模式，当它停止时，会出现一个临界态，在大循环中执行时，id已经被释放，这时外界想关闭这个自我循环已关闭不了，要想解决这个问题，最好在大循环中引入一个bool变量，根据这个变量决定是否退出。软件定时器的使用非常灵活，一定要在分析透彻后使用，若理解不够，反而会引起不必要的问题。同时在理解的基础上，可以自己修改或增加功能函数，以满足需求。