26、嵌入式系统中的定时器与外设设备详解

嵌入式系统中的定时器与外设设备详解

1. 系统定时器概述

在嵌入式应用里，系统定时器是不可或缺的一部分。它的用途广泛，可用于测量经过的时间、记录实际的日期和时间、调度线程等。由于其在嵌入式应用中极为常见，几乎每个微控制器单元（MCU）都会在同一芯片上集成定时器硬件。

以Cortex - M3为例，它包含一个名为“SysTick”的定时器。这是一个计数器，可被编程设置为一个初始值，即“重载值”。在CPU时钟的每个周期，计数器会减1。当计数器减到0时，会触发一个SysTick中断，并自动重新加载计数器，开始下一个倒计时序列。多线程系统通常利用SysTick计数器来提供周期性中断，一般会将计数器的重载值编程为每秒产生1000次中断。

2. SysTick定时器的配置步骤

• 计算重载值 ：
  由于CPU时钟可以被编程为不同的速率，重载值是CPU时钟速率的函数。以下是相关代码示例：

#define TICK_RATE_HZ 1000 // 1000 interrupts/sec (1 kHz)
#define CPU_CLOCK_HZ 6000000 // default core clock is 6 MHz
#define SYST_RVR 0xE000E014 // Adrs of SysTick Reload Value Register
*((uint32_t *) SYST_RVR) = ( CPU_CLOCK_HZ / TICK_RATE_HZ ) – 1  ;  

• 配置SysTick控制和状态寄存器 ：
  设置好重载值后，需要配置SysTick控制和状态寄存器，以告知计数器使用哪个时钟源、启用SysTick中断并开启计数器。代码如下：

#define SYST_CSR 0xE000E010 // Adrs of SysTick Control & Status Registers
#define SYSTICK_CLK 0x00000004 // Use core clock to drive SysTick counter
#define SYSTICK_INT 0x00000002 // Enable SysTick interrupt generation
#define SYSTICK_ENABLE 0x00000001 // Enables the SysTick counter
*((uint32_t *) SYST_CSR) = SYSTICK_CLK | SYSTICK_INT | SYSTICK_ENABLE ;  

• 配置嵌套向量中断控制器（NVIC） ：
  还需要配置NVIC中的相关寄存器，以设置SysTick中断的优先级。示例代码如下：

#define NVIC_SHPR 0xE000ED18 // Adrs of System Handler Priority Registers
#define SYSTICK_EXC_NMBR 15 // Exception number of SysTick interrupt
#define SYSTICK_PRIORITY 250 // Typically a low priority (high number)
((uint8_t *) NVIC_SHPR)[SYSTICK_EXC_NMBR - 4] = SYSTICK_PRIORITY ;  

3. SysTick中断处理程序

SysTick中断处理程序通常会递增一个变量，用于记录已经发生的SysTick中断次数。如果配置为每秒发生1000次中断，那么这个计数器将记录经过的毫秒数（0.001秒）。

4. 其他外设设备的中断处理

Cortex - M3的中断处理程序可以写成普通的C函数。除了SysTick处理程序外，可能还需要为输入或输出数据的设备编写处理程序。

对于输入设备，处理程序通常会从设备读取数据，并将其放入相关的队列中。而输出设备的中断表示上一个输出命令已完成，其处理程序通常会检查输出队列，看是否有更多数据要发送到设备。如果有可用的输出数据，会将其从队列中移除并发送。

安装处理程序只需将其入口点地址存储在向量表的适当位置。向量表的一些入口位置由Cortex - M3架构预先定义，而其他位置则取决于特定实现中可用的外设设备，需要在MCU的文档中查找。

5. 外设设备初始化和中断处理程序的示例资源

有许多优秀的源代码示例可展示如何初始化特定的外设设备，以及如何为其实现中断处理程序。这些示例可以在相关网站的实验室作业中找到，也可以在Stellaris外设驱动库和FreeRTOS实时内核的源代码中找到。

6. 相关概念和操作的表格总结

概念/操作	描述
SysTick定时器	Cortex - M3中的计数器，可产生周期性中断
重载值	计数器的初始值，与CPU时钟速率相关
SysTick控制和状态寄存器	用于配置时钟源、启用中断和开启计数器
嵌套向量中断控制器（NVIC）	用于设置SysTick中断的优先级
输入设备中断处理程序	读取设备数据并放入队列
输出设备中断处理程序	检查输出队列并发送数据

7. SysTick定时器配置流程的mermaid流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[计算重载值];
    B --> C[配置SysTick控制和状态寄存器];
    C --> D[配置NVIC设置中断优先级];
    D --> E[完成配置];

8. 数据表示与类型转换

在嵌入式系统开发中，数据的表示和类型转换是非常重要的基础概念。

8.1 数据表示

数据的表示方式多种多样，常见的有以下几种：
- 整数的二进制表示 ：整数可以用二进制形式表示，有2的补码有符号数、符号加绝对值表示法以及无符号表示法等。例如，8位二进制模式可以表示不同范围的整数，计算时要注意加法、减法的运算规则以及范围和溢出问题。
- 实数的二进制表示 ：实数的二进制表示分为定点实数和浮点实数。定点实数使用固定的小数位数，而浮点实数则通过指数和尾数来表示。
- ASCII文本表示 ：文本通常用ASCII码来表示，每个字符对应一个特定的ASCII值。
- 二进制编码十进制（BCD） ：用于表示十进制数，每个十进制数字用4位二进制编码。

8.2 数据类型转换

数据类型转换包括隐式转换和显式转换。隐式转换通常在不同类型的数据进行运算时自动发生，而显式转换则需要使用强制类型转换运算符。例如，在C语言中，可以使用 (type) 的形式进行显式转换。数据类型转换可能会导致数据类型降级或升级，需要注意数据精度的损失。

9. 内存管理

内存管理在嵌入式系统中至关重要，它直接影响系统的性能和稳定性。

9.1 内存分配方式

• 自动分配 ：在函数内部声明的局部变量通常采用自动分配方式，当函数执行结束时，这些变量所占用的内存会自动释放。
• 动态分配 ：使用 malloc() 、 calloc() 等函数在运行时动态分配内存，使用完后需要使用 free() 函数释放内存，否则会导致内存泄漏。
• 静态分配 ：全局变量和静态变量采用静态分配方式，它们在程序启动时就分配好内存，直到程序结束才释放。

9.2 内存管理的注意事项

• 内存碎片 ：动态分配和释放内存可能会导致内存碎片问题，影响内存的有效使用。可以采用池化分配方案来减少内存碎片。
• 内存泄漏 ：忘记释放动态分配的内存会导致内存泄漏，使系统可用内存逐渐减少，最终可能导致系统崩溃。

10. 线程调度与同步

在多线程的嵌入式系统中，线程调度和同步是保证系统正常运行的关键。

10.1 线程调度算法

• 优先级调度 ：根据线程的优先级来决定线程的执行顺序，高优先级的线程优先执行。但可能会出现优先级反转和饥饿问题。
• 速率单调调度 ：根据任务的周期来分配优先级，周期越短的任务优先级越高。
• 截止日期驱动调度 ：根据任务的截止日期来安排任务的执行顺序，确保任务在截止日期前完成。

10.2 线程同步机制

• 互斥锁 ：用于保护共享资源，同一时间只允许一个线程访问共享资源。
• 信号量 ：可以用来控制对共享资源的访问数量，也可以用于线程间的同步。
• 条件变量 ：与互斥锁配合使用，允许线程在某个条件满足时继续执行。

11. 中断处理的详细流程

中断处理是嵌入式系统中处理外部事件的重要机制，其详细流程如下：
1. 中断发生 ：外部设备或内部事件触发中断信号。
2. 保存现场 ：CPU保存当前的执行状态，包括程序计数器、寄存器等。
3. 查找中断向量 ：根据中断号在中断向量表中查找对应的中断处理程序入口地址。
4. 执行中断处理程序 ：跳转到中断处理程序执行，完成相应的任务。
5. 恢复现场 ：中断处理程序执行完毕后，恢复之前保存的执行状态。
6. 继续执行主程序 ：CPU继续执行被中断的主程序。

以下是中断处理流程的mermaid流程图：

graph TD;
    A[中断发生] --> B[保存现场];
    B --> C[查找中断向量];
    C --> D[执行中断处理程序];
    D --> E[恢复现场];
    E --> F[继续执行主程序];

12. 常见指令集与操作的总结表格

指令集/操作	描述
ARM Cortex - M3指令集	包括数据处理指令、转移指令、堆栈指令等，具有高效、低功耗的特点
数据处理指令	如加法、减法、逻辑运算等，用于对数据进行各种操作
转移指令	用于改变程序的执行流程，如跳转、调用子程序等
堆栈指令	用于管理堆栈，如入栈、出栈操作

13. 总结

嵌入式系统开发涉及到众多的技术领域，包括定时器配置、外设设备中断处理、数据表示与类型转换、内存管理、线程调度与同步以及中断处理等。通过深入理解这些技术，并掌握相关的操作步骤和代码实现，能够开发出高效、稳定的嵌入式系统。在实际开发过程中，要根据具体的需求选择合适的技术和算法，同时注意内存泄漏、优先级反转等常见问题，以确保系统的可靠性和性能。