【微内核第03章】软件定时器 (SoftTimer)

前言

前面我们已经用链表和队列构建了异步事件的骨架。但在协作式微内核中，最大的禁忌就是阻塞死等。软件定时器的核心使命，就是彻底消灭 delay。它将所有的“延时”和“周期性动作”转化为非阻塞的“时间事件”，通过异步回调或发布事件的方式，实现多任务的周期性调度与超时控制。

很多人刚开始写单片机代码，最喜欢用 HAL_Delay(1000)。

后果：CPU 在这 1 秒内是在“发呆”，如果有串口数据来了，或者有紧急按键，系统完全没反应。这就是阻塞（Blocking）。

这一章，我们要实现第三章：软件定时器 (SoftTimer) —— 给系统装上心跳。

我们要达到的目标是：在整个工程里，禁止出现任何 Delay 函数。

1. 核心设计思想：定时器即对象

回顾“句柄到对象”的思路。定时器不应该是一个全局数组里的索引（比如 Timer[0]），而应该是一个独立的对象。谁需要定时，谁就自己定义一个定时器对象。

1.1 定义定时器对象

我们在 framework_timer.h 中定义：

#include"utils_list.h"#include<stdint.h>#include<stdbool.h>// 1. 定义回调函数原型// context: 又是它！解决 C 语言没有 this 指针的关键typedefvoid(*TimerCallback)(void* context);// 2. 定时器对象typedef struct {    // 【继承】侵入式链表节点    // 只要把这个结构体挂到链表上，它就“活”了    ListNode node;     // 属性    uint32_t timeout_tick;  // 到期的时间点 (Absolute Time)    uint32_t interval;      // 周期时间 (0 表示单次)    bool is_running;        // 运行状态    // 行为    TimerCallback cb;       // 时间到了干什么？    void* context;          // 传给回调的参数} SoftTimer;// 句柄定义typedef SoftTimer* SoftTimerHandle;

2. 核心逻辑实现 (The Manager)

2.1 初始化与基准时间

在 framework_timer.c 中：

static List active_timers; // 存放所有正在运行的定时器// 系统初始化时调用voidSoftTimer_Init() {    List_Init(&active_timers);}// 获取当前系统滴答 (STM32中通常封装 HAL_GetTick)static uint32_t Get_System_Tick() {    return HAL_GetTick(); // 假设 1ms 一个 tick}

2.2 启动与停止 (Start / Stop)

这就是面向对象的接口设计。用户只需要操作句柄。

// 启动定时器voidSoftTimer_Start(SoftTimerHandle h, uint32_t ms, bool repeat, TimerCallback cb, void* ctx){    // 1. 如果已经在运行，先从链表移除，避免重复添加破坏链表结构    SoftTimer_Stop(h);    // 2. 填充属性    h->interval = ms;    h->timeout_tick = Get_System_Tick() + ms; // 计算绝对到期时间    h->cb = cb;    h->context = ctx;    // 3. 标记重复模式（如果 interval > 0 也可以认为重复，看具体设计）    // 这里为了逻辑清晰，如果 repeat 为 true，则 interval 必须 > 0    if (repeat && h->interval == 0) h->interval = 1;    h->interval = repeat ? h->interval : 0;     h->is_running = true;    // 4. 【关键】加入链表    // 这里简单起见插到队尾。    // 进阶优化：可以按 timeout_tick 排序插入，这样检查时只要看第一个，效率更高。    List_AddTail(&active_timers, &h->node);}// 停止定时器voidSoftTimer_Stop(SoftTimerHandle h){    if (h->is_running) {        List_Del(&h->node); // 利用侵入式链表，O(1) 删除        h->is_running = false;    }}

2.3 心跳驱动 (Update)

这是整个定时器系统的引擎。它需要在主循环中被频繁调用。

注意点：在遍历链表时删除节点（Callback 可能会调用 Stop）是危险的。所以我们要用安全的遍历方法。

// 放在主循环里调用void SoftTimer_Update() {    uint32_t current_tick = Get_System_Tick();    ListNodeHandle pos, next;    SoftTimerHandle timer;    // 使用 safe 模式遍历：在处理当前节点前，先保存 next 指针    // 这样即使当前节点被删除了，循环也能继续    for (pos = active_timers.head.next, next = pos->next;          pos != &active_timers.head;          pos = next, next = pos->next) {        // 还原对象指针        timer = container_of(pos, SoftTimer, node);        // 检查是否到期 (这里忽略了 49 天溢出翻转问题，实际工程需处理)        if (current_tick >= timer->timeout_tick) {            // 1. 执行回调            if (timer->cb) {                timer->cb(timer->context);            }            // 2. 处理周期性            if (timer->interval > 0) {                // 如果是周期的，更新下一次到期时间                timer->timeout_tick += timer->interval;            } else {                // 如果是单次的，停止它（从链表移除）                SoftTimer_Stop(timer);            }        }    }}

3. 定时器 + 事件系统

现在，我们把第三章（定时器）和第二章（事件）结合起来。

最佳实践：不要在 SoftTimer 的回调函数里做繁重的业务逻辑，也不要直接操作硬件（除非是极其简单的 LED 翻转）。推荐模式：定时器回调只负责 Event_Post。

实战演示：每 500ms 打印一次日志

// 1. 定义定时器对象 (放在全局或静态区，保证生命周期)static SoftTimer log_timer;// 2. 定时器回调// 注意：这里我们演示“回调产生事件”的模式voidOnLogTimer(void* ctx){    // 上下文 ctx 可以传任何东西，这里演示传一个 ID    uint32_t timer_id = (uint32_t)ctx;    // 发送一个超时事件到队列    Event_Post(SIG_TIMEOUT, timer_id);}// 3. 之前的事件分发器voidDispatch_Event(Event* e){    switch (e->sig) {        case SIG_TIMEOUT:            // 真正的业务逻辑在这里处理            printf("Timer %d Timeout! System Running...\n", e->param);            break;        // ... 其他 case    }}intmain(){    HAL_Init();    SoftTimer_Init(); // 初始化定时器链表    // 4. 启动定时器：500ms，重复，回调是 OnLogTimer，参数是 1    SoftTimer_Start(&log_timer, 500, true, OnLogTimer, (void*)1);    // 进入主循环    while (1) {        // 驱动定时器 (检查有没有到期的)        SoftTimer_Update();        // 驱动事件 (检查有没有新事件)        Event e;        if (Event_Get(&e)) {            Dispatch_Event(&e);        }    }}

4. 进阶：为什么要这么麻烦？

你可能会问：“我直接在 TimerCallback 里 printf 不行吗？为什么要 Post Event 绕一圈？”

原因主要因为：

栈深度与并发安全：虽然 SoftTimer_Update 在 Main 里跑，但如果你的业务逻辑很复杂（比如写 Flash、复杂的计算），直接在 Callback 里做会卡住 SoftTimer_Update 的循环，导致后续的定时器全部延迟。
统一入口：通过 Event_Post，所有的业务逻辑都汇聚到了 Dispatch_Event。哪怕以后你把 SoftTimer_Update 移到了一个高优先级的定时器中断里去跑（为了更高精度），你的业务逻辑代码（printf）一行都不用改，因为它依然是在主循环处理事件。这就是解耦！

5. 本章总结

现在，我们的微内核框架已经具备了雏形：

数据层：ListNode, RingBuffer。
通信层：Event_Post, Event_Get。
时间层：SoftTimer, SoftTimer_Update。

你的主循环现在看起来非常干净：

while(1) {    SoftTimer_Update(); // 心跳    if(Event_Get(&e)) Dispatch(&e); // 大脑}

没有 HAL_Delay，没有乱七八糟的标志位判断。

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【第09期】C语言的嵌入式特化 (三) —— 函数指针与回调 (Callback)：解耦神器

【第33期】协议设计：帧头、帧尾与转义（Stuffing）

第40期：Bootloader(二)：跳转App

C语言从句柄到对象 (二) —— 极致的封装：不透明指针与 SDK 级设计

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