在嵌入式软件开发里，计时可以说是非常基础的功能模块了，其应用也非常广泛，比如可以辅助计算信号脉冲宽度时间，也可以直接用于常规延时等。相信很多人初次领略 MCU 的神奇，都是从计时功能相关小程序开始的。
在 MCU 里要想实现精确计时，往往都是利用其内部硬件定时器。不同厂商的 MCU，其定时器设计与使用都不太一样。即使是同一 MCU 内，通常也会有好几种不同类型的定时器共存。
基于此，今天分享一种非常简单实用的通用计时函数框架。这个框架的目的是统一计时函数接口，并且在实现上将通用部分和硬件相关部分剥离开。这样你的嵌入式项目在使用这个框架时，可以无缝快捷地切换底层定时器。
注：本框架主要适合定时器时钟源不小于 1MHz 的 MCU，因为函数接口里延时最小单元是 1us。对于一些定时器时钟源低于 1MHz 的 MCU，可将本框架简单改成毫秒(milliseconds)计时函数。项目地址，见文末“阅读原文”。
一、微秒(microseconds)计时函数库设计
1、函数接口定义
首先是设计通用计时函数框架头文件：microseconds.h ，这个头文件里直接定义如下 7 个接口函数原型。涵盖必备的初始化流程init()、shutdown()，最核心的计时功能get_ticks()、convert_to_microseconds()，常用的延时功能delay()、set_delay()、is_timeout()。
//! @brief 初始化计时
void microseconds_init(void);
//! @brief 关闭计时
void microseconds_shutdown(void);
//! @brief 获取系统累计计数值
uint64_t microseconds_get_ticks(void);
//! @brief 将计数值转换为时间值(微秒)
uint32_t microseconds_convert_to_microseconds(uint64_t ticks);
//! @brief 阻塞型延时(微秒级)
void microseconds_delay(uint32_t us);
//! @brief 设置超时时间（用于非阻塞型延时）
void microseconds_set_delay(uint32_t us);
//! @brief 判断是否超时（用于非阻塞型延时）
bool microseconds_is_timeout(void);
2、通用函数实现
然后是设计通用计时函数框架共用源文件：microseconds_common.c，这个文件里涉及三个静态全局变量定义，四个私有函数声明，以及除了 get_ticks() 之外的 6 个接口函数实现。
其中 s_tickPerMicrosecond 变量存的是每微秒对应计数值，其实这个变量不是一定要定义的，可以在函数需要时实时计算，但为了小小提升框架性能，就在 init() 里将这个值先算出来了，方便其他函数直接使用。
s_highCounter 变量存的是定时器中断次数，即高位计数器，因为框架 get_ticks() 接口返回的是 64bit 的计数值，对于有些宽度小于 32bit 的定时器，我们常常需要开启定时器中断，否则无法保证系统长时间运行线性计时的正确性（比如 100MHz 时钟源的 32bit 定时器，最长约 43 秒就会清零翻转一次，需要 s_highCounter 变量记录翻转次数）。
当然，如果 MCU 里能级连出 64bit 的定时器，就可以不用开启中断（清零翻转的时间特别长，可近似认为是永久），s_highCounter 此时就不需要了。
关于延时函数接口，delay() 用于阻塞型延时，即调用这个函数后一定是死等指定时间后才退出，系统会被强制挂起；set_delay()/is_timeout()用于非阻塞型延时，系统可以继续干其他任务，在需要的时侯来查看一下超时时间是否到了即可。两种延时各有各的用途。
//!< 每微秒等效计数值
static uint32_t s_tickPerMicrosecond;
//!< 超时时间点对应系统计数值（用于非阻塞型延时）
static uint64_t s_timeoutTicks;
//!< 高位计数器，仅当使能定时器超时中断时有效，用于记录中断累计次数
volatile uint32_t s_highCounter;
//! @brief 打开硬件定时器
extern void microseconds_timer_init(void);
//! @brief 关闭硬件定时器
extern void microseconds_timer_deinit(void);
//! @brief 获取定时器时钟源数值
extern uint32_t microseconds_get_clock(void);
//! @brief 将时间值(微秒)转换为计数值
static uint64_t microseconds_convert_to_ticks(uint32_t microseconds);
void microseconds_init(void)
{
// 清零高位计数器
s_highCounter = 0;
// 打开硬件定时器
microseconds_timer_init();
// 计算每微秒的等效计数值
s_tickPerMicrosecond = microseconds_get_clock() / 1000000UL;
// 假设定时器时钟源不小于 1MHz
assert(s_tickPerMicrosecond);
}
void microseconds_shutdown(void)
{
// 关闭硬件定时器
microseconds_timer_deinit();
}
uint32_t microseconds_convert_to_microseconds(uint64_t ticks)
{
return (ticks / s_tickPerMicrosecond);
}
uint64_t microseconds_convert_to_ticks(uint32_t microseconds)
{
return ((uint64_t)microseconds * s_tickPerMicrosecond);
}
void microseconds_delay(uint32_t us)
{
// 获取系统当前计数值
uint64_t currentTicks = microseconds_get_ticks();
// 计算超时时间点系统计数值
uint64_t ticksNeeded = ((uint64_t)us * s_tickPerMicrosecond) + currentTicks;
// 等待系统计数值到达超时时间点系统计数值
while (microseconds_get_ticks() < ticksNeeded);
}
void microseconds_set_delay(uint32_t us)
{
// 计算超时时间等效计数值
uint64_t ticks = microseconds_convert_to_ticks(us);
// 设置超时时间点系统计数值
s_timeoutTicks = microseconds_get_ticks() + ticks;
}
bool microseconds_is_timeout(void)
{
// 获取系统当前计数值
uint64_t currentTicks = microseconds_get_ticks();
// 判断系统计数值是否大于超时时间点系统计数值
return (currentTicks < s_timeoutTicks) ? false : true;
}
二、微秒(microseconds)计时函数库实现
1、定时器相关实现（基于Cortex-M内核的SysTick）
最后是设计 MCU 相关的通用计时函数框架源文件：microseconds_xxTimer.c，这里我们以 Cortex-M 系列 MCU 的内核定时器 SysTick 为例。
SysTick 是 24bit 递减定时器，时钟源有两种配置：一是内核主频，二是外部时钟（看厂商实现），最常用的时钟源配置就是与内核同频。
之前我们说过，用 SysTick 这类宽度小于 32bit 的定时器，是需要开启定时器中断的，所以 s_highCounter 会生效。get_ticks()是整个计时函数框架里最基础也最核心的功能接口，这里面的实现有一个需要特别注意的地方，就是取系统当前计数值可能会有数值回退的风险，需要使用代码中 do {} while()；方式来确保正确性。
//!< 高位计数器，仅当使能定时器超时中断时有效，用于记录中断累计次数
extern volatile uint32_t s_highCounter;
void microseconds_timer_init(void)
{
// 调用 core_cmx.h 头文件里的初始化函数
// SysTick时钟源为内核时钟，开启中断，重装值为 0xFFFFFF
SysTick_Config(SysTick_LOAD_RELOAD_Msk + 1);
}
void microseconds_timer_deinit(void)
{
SysTick->CTRL &= ~(SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);
SysTick->VAL = 0;
}
uint32_t microseconds_get_clock(void)
{
return SystemCoreClock;
}
uint64_t microseconds_get_ticks(void)
{
uint32_t high;
uint32_t low;
// 这里的实现要注意确保中断发生时获取系统累计计数值的正确性
do
{
// 先缓存高位计数器
high = s_highCounter;
// 再读定时器实际计数值
low = ~SysTick->VAL & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;
} while (high != s_highCounter); // 保证缓存高位值与读实际低位值间隙中没有发生中断
return ((uint64_t)high << 24) + low;
}
void SysTick_Handler(void)
{
s_highCounter++;
}
当然还有很多具体 MCU 平台的各种定时器实现，因此这个项目会不断更新，也欢迎大家来参与贡献。
至此，嵌入式里通用微秒(microseconds)计时函数框架设计与实现便介绍完毕了。
