最高效率使用單片機(jī)，放棄程序中的延時(shí)函數(shù)

我第一次看到教程里Delay（）函數(shù)的代碼時(shí)我嚇了一跳，竟然讓單片機(jī)空轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)和外界同步，這怎么可能？
試想，如果PC機(jī)CPU空轉(zhuǎn)一秒，那么音樂(lè)會(huì)斷一秒、畫面會(huì)停頓一秒、下載文件會(huì)斷一秒，這怎么可行？

我看到很多單片機(jī)程序，它們的單片機(jī)99.9%的工作時(shí)間都在打空轉(zhuǎn)，99.9%大家可能感到有些危言聳聽(tīng)，那就讓我們算一算：

已內(nèi)部8M頻的AVR單片機(jī)來(lái)說(shuō)，單指令周期僅為1/8 = 0.125us，那一毫秒可以執(zhí)行多少個(gè)單周期指令？ 1%0.125*1000 = 8000個(gè)

而我看到論壇里下到的絕大多數(shù)程序，兩個(gè)延時(shí)函數(shù)之間代碼的執(zhí)行時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8000個(gè)指令周期。
說(shuō)實(shí)話，很多16K以上的程序，把所有延時(shí)函數(shù)去掉，總體能執(zhí)行幾毫秒就不錯(cuò)了。

換句話說(shuō)，我說(shuō)單片機(jī)的利用率小于0.01%還是口下留情了。

要說(shuō)怎么解決問(wèn)題，就要先找到問(wèn)題，我問(wèn)問(wèn)大家，程序中，我們?yōu)槭裁囱訒r(shí)？

原因很多，可能是外設(shè)速度太慢，也可能是為了躲過(guò)人眼視覺(jué)停留時(shí)間，等等。
總之就是與外界不同步，而我們想要同步。

所以說(shuō)這些延時(shí)應(yīng)該是很有道理的，我不否定這一點(diǎn)，但問(wèn)題的關(guān)鍵這些延時(shí)空轉(zhuǎn)，我們?yōu)槭裁床荒馨堰@些時(shí)間回收起來(lái)做一些別的事呢？
試想，如果把這99.9%的時(shí)間回收，那可以一筆相當(dāng)巨大的資源。

有很多人有些特殊方法回收過(guò)這些空轉(zhuǎn)時(shí)間，比如說(shuō)在延時(shí)函數(shù)中做點(diǎn)事。

但這些往往都不通用，下面我說(shuō)一些我的兩種方法：

1、前后臺(tái)模式下延時(shí)時(shí)間回收的方法：

前后臺(tái)模式就是大家最常用的主程序大循環(huán) + 中斷的模式。

首先解決外設(shè)太慢問(wèn)題，像串口、鍵盤、LCD、SD卡等IO，這些收發(fā)可以建立外部緩沖區(qū)。比如串口收發(fā)在中斷中完成保存到緩沖區(qū)，而主程序操作緩沖區(qū)而不直接操縱串口，這已經(jīng)看到很多人這樣用了。但像矩陣鍵盤的緩沖區(qū)，我很少看到有人這么用，在中斷中接收按鍵信息保存到緩沖區(qū)。
還有像LCD，我們一個(gè)個(gè)往顯存中寫數(shù)據(jù)是很浪費(fèi)的，也應(yīng)該建立緩沖，統(tǒng)一處理。

建立緩沖區(qū)這類方式中間有一些技術(shù)難點(diǎn)，比如像串口接收，無(wú)法判斷對(duì)發(fā)是否全部發(fā)完，怎么辦？可以設(shè)立定時(shí)，如果一個(gè)字節(jié)接收之后1ms之內(nèi)沒(méi)收到下一個(gè)，則認(rèn)為接收完畢。這只是一個(gè)思想，具體應(yīng)用大家掌握。

可能有人會(huì)說(shuō)，除了外設(shè)太慢，還有像視覺(jué)停留的問(wèn)題怎么解決，總不能讓流水燈快到人眼都看不清吧。
這就我下面要說(shuō)的問(wèn)題，這些延時(shí)的時(shí)間怎么回收？就是全部放到定時(shí)中斷中！

可能又有些人會(huì)說(shuō)，書里、教程都說(shuō)了，中斷處理東西的時(shí)間要盡量短，你這樣整個(gè)中斷有太多判斷、很長(zhǎng)，時(shí)間很長(zhǎng)，這不行。

這是一種教條的思想，把書讀死了?？梢栽谥袛嘀羞@樣處理，比如：

void (*Task)(void);
ISR
{
(*Task)(void);
}

中斷里用的內(nèi)容通過(guò)函數(shù)指針來(lái)調(diào)用，這樣可以在主程序根據(jù)需要時(shí)任意改變要執(zhí)行的任務(wù)，還可以改任務(wù)的周期。所用的判斷都是在主程序需中執(zhí)行，然后改變指針的指向，來(lái)確定中斷中下一步的任務(wù)。

這樣，在前后臺(tái)系統(tǒng)中主程序?qū)⑷蝿?wù)分配完，還有很多余力處理很多事。

比如有很多個(gè)鍵盤、LED點(diǎn)陣、數(shù)碼管等，它們都需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，很容造成編程困難、響應(yīng)遲鈍，其實(shí)只要把延時(shí)的時(shí)間回收，處理這些就非常從容了。

可能還有人會(huì)說(shuō)，有些項(xiàng)目用不了這么苛刻的時(shí)間，你回收的時(shí)間用不了，要那么多干嘛？

其實(shí)這時(shí)，你就可以用死循環(huán)掃描事件，可以實(shí)時(shí)響應(yīng)。你的系統(tǒng)跟原來(lái)空循環(huán)延時(shí)比，實(shí)時(shí)性要高了不知多少倍。

2、變異的協(xié)作式內(nèi)核

先說(shuō)說(shuō)嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核，簡(jiǎn)單的說(shuō)，它就是個(gè)任務(wù)調(diào)度器，讓多個(gè)任務(wù)在同一個(gè)CPU上同時(shí)執(zhí)行，所謂同時(shí)也是相對(duì)的，無(wú)非就第一個(gè)任務(wù)執(zhí)行幾毫秒、第二個(gè)任務(wù)在執(zhí)行幾毫秒。。。外表看起來(lái)就是同時(shí)執(zhí)行。

至于可剝奪式內(nèi)核和協(xié)作式內(nèi)核的區(qū)別，大家可以百度一下。

說(shuō)道能在單片機(jī)上用的嵌入式操作系統(tǒng)，大家會(huì)說(shuō)出一些如uCosII、FreeOS等操作系統(tǒng)。
還有很多人對(duì)這些操作系統(tǒng)十分抗拒、十分反對(duì)，他們的理由是什么？

1、這些操作系統(tǒng)占用大量RAM、ROM
2、這些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所謂的實(shí)時(shí)是相對(duì)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的，跟裸機(jī)比實(shí)際上是慢了

這些理由不是沒(méi)道理，因?yàn)檫@些商用操作系統(tǒng)都是可剝奪式內(nèi)核，它們的原則是保證最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在可確定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)。
它們的有優(yōu)點(diǎn)是任務(wù)切換時(shí)間是確定的，不會(huì)隨任務(wù)的多少而改變。
有了這些確定性，讓它們?cè)谏逃卯a(chǎn)品大放光彩。因?yàn)槠鋾r(shí)間穩(wěn)定性。

但它們的缺點(diǎn)也很明顯，中斷級(jí)節(jié)拍浪費(fèi)很多時(shí)間。任務(wù)間同時(shí)調(diào)用時(shí)引發(fā)同步問(wèn)題而引入許多如信號(hào)量、郵箱等機(jī)制浪費(fèi)大量RAM、ROM。

綜上，可剝奪式內(nèi)核穩(wěn)定可定量，在越高級(jí)的單片機(jī)上越有優(yōu)勢(shì)，在8位機(jī)上可用，但需要大量裁剪，并不一定合適。

而協(xié)作式內(nèi)核的核心思想是什么？它不像剝奪式內(nèi)核保證最高級(jí)任務(wù)速度最快，而是保證所有任務(wù)的平均速度最快！

正如我前面的說(shuō)法，我連續(xù)兩個(gè)延時(shí)函數(shù)之間的代碼很難超過(guò)1ms，甚至很難超過(guò)100us，我們可以將其忽略。這樣10個(gè)任務(wù)，第一個(gè)執(zhí)行完主動(dòng)放棄單片機(jī)控制權(quán)，交給第二個(gè)任務(wù)，第二個(gè)任務(wù)執(zhí)行完主動(dòng)放棄控制權(quán)，交給第三個(gè)任務(wù)。10個(gè)任務(wù)之間無(wú)間隙，每一個(gè)任務(wù)需要延時(shí)時(shí)，就主動(dòng)放棄控制權(quán)。

基于這種思想，我們的就達(dá)到了回收空轉(zhuǎn)延時(shí)的目的，而且應(yīng)為每個(gè)任務(wù)是執(zhí)行完后主動(dòng)放棄，所以不存在剝奪式內(nèi)核的同步問(wèn)題，基本不需要郵箱、信號(hào)量等機(jī)制，對(duì)RAM、ROM的要求就非常低了。

這樣來(lái)看，協(xié)作式內(nèi)核非常適合8位機(jī)。但可能有太多嵌入式系統(tǒng)的書中對(duì)剝奪式內(nèi)核不分場(chǎng)合的認(rèn)可，造成很多人誤解。而且uCos等系統(tǒng)的權(quán)威，也讓很多RTOS作者爭(zhēng)相效仿，沒(méi)用對(duì)8位機(jī)的場(chǎng)合做合理分析。

商用系統(tǒng)中沒(méi)有協(xié)作式內(nèi)核，而民用的，還少有優(yōu)秀的協(xié)作式內(nèi)核，都是基于傳統(tǒng)節(jié)拍。

傳統(tǒng)協(xié)作式內(nèi)核需要定時(shí)中斷為時(shí)鐘基準(zhǔn)，也會(huì)間歇性打斷任務(wù)，造成不必要的損失，這并不是我們想要的。

我們其實(shí)可以僅僅是讓定時(shí)器以大分頻系數(shù)開(kāi)著， 而不給其產(chǎn)生中斷的機(jī)會(huì)。當(dāng)任務(wù)將要放棄使用權(quán)時(shí)，讀取定時(shí)器，作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，然后清零。

做法一句兩句說(shuō)不清，而效果是什么？可以做到任務(wù)是以不受干擾，與裸機(jī)相同的工作狀態(tài)，這是傳統(tǒng)協(xié)作式內(nèi)核做不到的，而僅當(dāng)它需要延時(shí)了，才放棄使用權(quán)，將延時(shí)的時(shí)間給其它任務(wù)。這正符合我全文的目的 -- 回收空轉(zhuǎn)延時(shí)時(shí)間

這樣的內(nèi)核體積會(huì)非常小，運(yùn)行方式與裸機(jī)無(wú)異，僅僅是把空轉(zhuǎn)延時(shí)時(shí)間干些其它事。對(duì)使用者還沒(méi)什么要求，不想以往系統(tǒng)那么復(fù)雜。

可惜市面上并沒(méi)有基于這種方式的內(nèi)核，我已經(jīng)寫了一個(gè)，非常精簡(jiǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定。但作為一個(gè)想應(yīng)用實(shí)際的內(nèi)核，還需要檢驗(yàn)。我最后檢查一下后，過(guò)幾天拿出來(lái)大家一起分享。

PS：好了，我上面兩種方式，均為原創(chuàng)。希望能對(duì)大家有幫助~ 第二種中介紹的變異協(xié)作式內(nèi)核思想很簡(jiǎn)單，有興趣可以自己寫一個(gè)，我過(guò)幾天會(huì)把我的發(fā)上來(lái)。