放弃代码中的延时函数,最高效率的使用单片机

XJzy

我是PC机底层编程转过来的，以前从来没接触过单片机，五个月前学习AVR，在这里学到很多东西。但也意识到电子工程师们的硬件编程思想与PC机底层编程思想上的很多不同，引发了一些思考。我说一说，供大家参考，只为学习，无意争论。
我第一次看到教程里Delay（）函数的代码时我吓了一跳，竟然让单片机空转以实现和外界同步，这怎么可能？
试想，如果PC机CPU空转一秒，那么音乐会断一秒、画面会停顿一秒、下载文件会断一秒，这怎么可行？
我看到很多单片机程序，它们的单片机99.9%的工作时间都在打空转，99.9%大家可能感到有些危言耸听，那就让我们算一算：
已内部8M频的AVR单片机来说，单指令周期仅为1/8 = 0.125us，那一毫秒可以执行多少个单周期指令？ 1%0.125*1000 = 8000个
而我看到论坛里下到的绝大多数程序，两个延时函数之间代码的执行时间要远远小于8000个指令周期。
说实话，很多16K以上的程序，把所有延时函数去掉，总体能执行几毫秒就不错了。
换句话说，我说单片机的利用率小于0.01%还是口下留情了。
要说怎么解决问题，就要先找到问题，我问问大家，程序中，我们为什么延时？
原因很多，可能是外设速度太慢，也可能是为了躲过人眼视觉停留时间，等等。
总之就是与外界不同步，而我们想要同步。
所以说这些延时应该是很有道理的，我不否定这一点，但问题的关键这些延时空转，我们为什么不能把这些时间回收起来做一些别的事呢？
试想，如果把这99.9%的时间回收，那可以一笔相当巨大的资源。
有很多人有些特殊方法回收过这些空转时间，比如说在延时函数中做点事。
但这些往往都不通用，下面我说一些我的两种方法：


1、前后台模式下延时时间回收的方法：
前后台模式就是大家最常用的主程序大循环 + 中断的模式。
首先解决外设太慢问题，像串口、键盘、LCD、SD卡等IO，这些收发可以建立外部缓冲区。比如串口收发在中断中完成保存到缓冲区，而主程序操作缓冲区而不直接操纵串口，这已经看到很多人这样用了。但像矩阵键盘的缓冲区，我很少看到有人这么用，在中断中接收按键信息保存到缓冲区。
还有像LCD，我们一个个往显存中写数据是很浪费的，也应该建立缓冲，统一处理。
建立缓冲区这类方式中间有一些技术难点，比如像串口接收，无法判断对发是否全部发完，怎么办？可以设立定时，如果一个字节接收之后1ms之内没收到下一个，则认为接收完毕。这只是一个思想，具体应用大家掌握。
可能有人会说，除了外设太慢，还有像视觉停留的问题怎么解决，总不能让流水灯快到人眼都看不清吧。
这就我下面要说的问题，这些延时的时间怎么回收？就是全部放到定时中断中！
可能又有些人会说，书里、教程都说了，中断处理东西的时间要尽量短，你这样整个中断有太多判断、很长，时间很长，这不行。
这是一种教条的思想，把书读死了。可以在中断中这样处理，比如：
void (*Task)(void);
ISR
{
      (*Task)(void);
}
中断里用的内容通过函数指针来调用，这样可以在主程序根据需要时任意改变要执行的任务，还可以改任务的周期。所用的判断都是在主程序需中执行，然后改变指针的指向，来确定中断中下一步的任务。
这样，在前后台系统中主程序将任务分配完，还有很多余力处理很多事。
比如有很多个键盘、LED点阵、数码管等，它们都需要实时响应，很容造成编程困难、响应迟钝，其实只要把延时的时间回收，处理这些就非常从容了。
可能还有人会说，有些项目用不了这么苛刻的时间，你回收的时间用不了，要那么多干嘛？
其实这时，你就可以用死循环扫描事件，可以实时响应。你的系统跟原来空循环延时比，实时性要高了不知多少倍。


2、变异的协作式内核
先说说嵌入式操作系统的内核，简单的说，它就是个任务调度器，让多个任务在同一个CPU上同时执行，所谓同时也是相对的，无非就第一个任务执行几毫秒、第二个任务在执行几毫秒。。。外表看起来就是同时执行。
至于可剥夺式内核和协作式内核的区别，大家可以百度一下。
说道能在单片机上用的嵌入式操作系统，大家会说出一些如uCosII、FreeOS等操作系统。
还有很多人对这些操作系统十分抗拒、十分反对，他们的理由是什么？
1、这些操作系统占用大量RAM、ROM
2、这些实时操作系统所谓的实时是相对非实时操作系统的，跟裸机比实际上是慢了
这些理由不是没道理，因为这些商用操作系统都是可剥夺式内核，它们的原则是保证最高优先级任务在可确定的时间内响应。
它们的有优点是任务切换时间是确定的，不会随任务的多少而改变。
有了这些确定性，让它们在商用产品大放光彩。因为其时间稳定性。
但它们的缺点也很明显，中断级节拍浪费很多时间。任务间同时调用时引发同步问题而引入许多如信号量、邮箱等机制浪费大量RAM、ROM。
综上，可剥夺式内核稳定可定量，在越高级的单片机上越有优势，在8位机上可用，但需要大量裁剪，并不一定合适。

而协作式内核的核心思想是什么？它不像剥夺式内核保证最高级任务速度最快，而是保证所有任务的平均速度最快！
正如我前面的说法，我连续两个延时函数之间的代码很难超过1ms，甚至很难超过100us，我们可以将其忽略。这样10个任务，第一个执行完主动放弃单片机控制权，交给第二个任务，第二个任务执行完主动放弃控制权，交给第三个任务。10个任务之间无间隙，每一个任务需要延时时，就主动放弃控制权。
基于这种思想，我们的就达到了回收空转延时的目的，而且应为每个任务是执行完后主动放弃，所以不存在剥夺式内核的同步问题，基本不需要邮箱、信号量等机制，对RAM、ROM的要求就非常低了。
这样来看，协作式内核非常适合8位机。但可能有太多嵌入式系统的书中对剥夺式内核不分场合的认可，造成很多人误解。而且uCos等系统的权威，也让很多RTOS作者争相效仿，没用对8位机的场合做合理分析。
商用系统中没有协作式内核，而民用的，还少有优秀的协作式内核，都是基于传统节拍。
传统协作式内核需要定时中断为时钟基准，也会间歇性打断任务，造成不必要的损失，这并不是我们想要的。
我们其实可以仅仅是让定时器以大分频系数开着， 而不给其产生中断的机会。当任务将要放弃使用权时，读取定时器，作为时钟基准，然后清零。
做法一句两句说不清，而效果是什么？可以做到任务是以不受干扰，与裸机相同的工作状态，这是传统协作式内核做不到的，而仅当它需要延时了，才放弃使用权，将延时的时间给其它任务。这正符合我全文的目的 -- 回收空转延时时间
这样的内核体积会非常小，运行方式与裸机无异，仅仅是把空转延时时间干些其它事。对使用者还没什么要求，不想以往系统那么复杂。
可惜市面上并没有基于这种方式的内核，我已经写了一个，非常精简，运行稳定。但作为一个想应用实际的内核，还需要检验。我最后检查一下后，过几天拿出来大家一起分享。