第1期 定时器实现非阻塞式程序 按键控制LED闪烁模式

news2025/2/21 18:11:37

第1期 定时器实现非阻塞式程序 按键控制LED闪烁模式

  • 解决按键扫描，松手检测时阻塞的问题
  • 实现LED闪烁的非阻塞
  • 总结
  • 补充（为什么不会阻塞）

参考江协科技

在这里插入图片描述

KEY1和KEY2两者独立控制互不影响

阻塞：如果按下按键不松手，程序就会卡死在while循环里，主程序的其他程序无法执行，直到松手，函数才能结束。CPU花很长时间等大地。
非阻塞：程序执行很快且很快结束。

任务：按下K1慢闪，再按下K1熄灭
常规方法：
为什么开灯灵敏，关灯就不灵敏呢？因为开灯之后，程序会执行delay等待以及while等待，阻塞按键扫描程序，只有长按按键才能熄灭LED。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Key.h"
#include "LED.h"

uint8_t KeyNum = 0;
uint8_t FlashFlag = 0;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	Key_Init();
	LED_Init();
	
	
	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();
		
		if(KeyNum == 1)
		{
			FlashFlag = !FlashFlag;
		}
		if(FlashFlag)
		{
			LED1_ON();
			Delay_ms(500);
			LED1_OFF();
			Delay_ms(500);
		}
		else
		{
			LED1_OFF();
		}
		
	}
}

阻塞测试
按下按键之前，屏幕快速刷新，按下按键后，数字停止刷新，表明程序阻塞在等待按键松手的地方。放手后，LED会闪烁同事数字继续自增。
在这里插入图片描述
主循环始终保持快速刷新状态，定时器定时中断可达到类似多线程的效果。
解决按键扫描松手检测时阻塞的问题。办法是用定时器扫描按键。
定时器扫描按键-单按键思路
上次采样电平 本次采样电平 结论
1 1 按键没按下
1 0 按键按下
0 0 按键按下没松开
0 1 按键按下并松开

根据以上情况置相应的标志位来执行操作。
在这里插入图片描述

定时器扫描按键-多按键
在这里插入图片描述

解决按键扫描，松手检测时阻塞的问题

如果把按键代码直接写在定时中断里面，不利于按键模块的独立封装，如果把该定时中断直接放到Key里面，那么Key就会独占这个定时器。综合考虑定义Key_Tick(void)函数。再把该函数放到定时器中断函数中，每隔1ms调用Key_Tick(void), 相当于Key模块多了个中断函数。它每隔1ms就会自动执行一次。实现多模块共用一个定时器来实现定时。
在这里插入图片描述
按键关灯变得灵敏的原因是按键扫描位于定时器中断里，即使主程序卡在Delay里面，定时器中断仍然能够执行，按键检测仍然能够执行。按键只要检测到了，就会置相应的标志位记录按键按下。

实现LED闪烁的非阻塞

LED以1s为周期，亮500ms，灭500ms
在这里插入图片描述
加入SetMode函数，用按键控制LED闪烁，如果不用的话，LED通过定时器无脑闪烁。

	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();
		
		if(KeyNum == 1)
		{
			FlashFlag = !FlashFlag;
		}
		if(FlashFlag)
		{
			LED1_SetMode(1);
		}
		else
		{
			LED1_SetMode(0);
		}
		OLED_ShowNum(1,1,i++,5);
	}

void LED1_SetMode(uint8_t Mode)
{
	LED1_Mode = Mode;
}

void LED_Tick(void)
{
	if(LED1_Mode == 0)
	{
		LED1_OFF();
	}
	else
	{
			LED1_Count++;
		//if(LED1_Count > 999) LED1_Count = 0;
		LED1_Count %= 1000;  //Count < 1000, 取余等于本身，等于1000，取余等于0，大于1000时，取余后会得到1000以内的余数，防止自增越界
		if(LED1_Count < 500)
		{
			LED1_ON();
		}
		else
		{
			LED1_OFF();
		}
	}

}

实验现象：
刚开始LED熄灭，主循环快速刷新
按下按键，LED闪烁
再按下按键，LED熄灭
根据OLED显示可知道主循环始终没有阻塞

继续完善代码，执行熄灭-常亮-慢闪-快闪-点闪，设置相应的状态机。

	if(LED1_Mode == 0)
	{
		LED1_OFF();
	}
	else if(LED1_Mode == 1)
	{
		LED1_ON();
	}
	else if(LED1_Mode == 2)
	{
		LED1_Count++;
		//if(LED1_Count > 999) LED1_Count = 0;
		LED1_Count %= 1000;  //Count < 1000, 取余等于本身，等于1000，取余等于0，大于1000时，取余后会得到1000以内的余数，防止自增越界
		if(LED1_Count < 500)
		{
			LED1_ON();
		}
		else
		{
			LED1_OFF();
		}
	}
	else if(LED1_Mode == 3)
	{
			LED1_Count++;
		//if(LED1_Count > 999) LED1_Count = 0;
		LED1_Count %= 100;  //Count < 1000, 取余等于本身，等于1000，取余等于0，大于1000时，取余后会得到1000以内的余数，防止自增越界
		if(LED1_Count < 50)
		{
			LED1_ON();
		}
		else
		{
			LED1_OFF();
		}
	}
	else
	{
		LED1_Count++;
		//if(LED1_Count > 999) LED1_Count = 0;
		LED1_Count %= 1000;  //Count < 1000, 取余等于本身，等于1000，取余等于0，大于1000时，取余后会得到1000以内的余数，防止自增越界
		if(LED1_Count < 100)
		{
			LED1_ON();
		}
		else
		{
			LED1_OFF();
		}
	}

实现状态机轮转

		if(KeyNum == 1)
		{
			LED1_MODE++;
			LED1_MODE %= 5;
			LED1_SetMode(LED1_MODE);
		}

如果想要每次模式切换后，闪烁都要从一个周期的最开始进行。需要额外添加代码。
在这里插入图片描述
非阻塞的代码可以保证主循环的快速执行，让每部分功能都能够得到及时响应。
注意：定时中断被多个模块复用，要确保这些模块的中断代码执行时间不要过久。
可能会出现中断重叠，如果要判断中断是否重叠，可以再进入中断的最开始就清除中断标志位。等结束之后再查看这个标志位，如果这时还没有被置1，说明中断没有重叠。

实验现象：
两个按键分别独立控制LED的亮灭以及闪烁，led始终刷新数字，主程序没有被阻塞。
在这里插入图片描述
全局变量，在主程序和中断中加入全局变量在多线程中加入互斥锁。

总结

  1. 定时器配置与中断机制
    定时器初始化：
    Timer_Init 函数配置 TIM2 定时器：

时钟源：内部时钟 72MHz。

预分频：72-1，使定时器时钟为 1MHz（72MHz / 72）。

周期：1000-1，定时器每 1ms 触发一次中断（1MHz 计数 1000 次）。

中断配置：使能更新中断，设置 NVIC 优先级。

中断服务函数：
TIM2_IRQHandler 每 1ms 执行一次：

调用 Key_Tick 和 LED_Tick 处理按键和 LED 状态。

清除中断标志，避免重复触发。

  1. 按键的非阻塞检测
    Key_Tick 函数：

20ms 消抖：通过静态变量 Count 累计中断次数，每 20ms 检测一次按键状态。

状态机逻辑：

CurrState 记录当前按键状态，PrevState 记录上一次状态。

检测按键释放瞬间（CurrState == 0 且 PrevState != 0），记录键值到 Key_Num。

非阻塞读取：主循环通过 Key_GetNum 获取键值后立即清零，避免重复触发。

  1. LED 的非阻塞控制
    LED_Tick 函数：

模式驱动：根据 LED1_Mode 和 LED2_Mode 控制 LED 行为：

模式 0：关闭。

模式 1：常亮。

模式 2：500ms 亮，500ms 灭（周期 1s）。

模式 3：50ms 亮，50ms 灭（周期 100ms）。

计数器机制：静态变量 LEDx_Count 在每次中断自增，通过取余运算实现周期性切换状态。

  1. 主循环的非阻塞特性
    主循环逻辑：

不断读取按键值 KeyNum，更新 LED 模式。

显示信息到 OLED，无需等待定时任务。

中断与主循环分工：

中断处理耗时短的任务（按键消抖、LED 状态切换）。

主循环处理非实时任务（如显示更新），避免被阻塞。

  1. 关键设计点
    时间片划分：定时器中断以 1ms 为基准，任务按需分频（如按键 20ms 检测一次）。

状态保持：使用静态变量（如 Count, LEDx_Count）保存任务状态，在中断间维持数据。

资源隔离：中断仅更新标志位或状态，主循环处理业务逻辑，降低耦合。

总结
通过定时器中断周期性触发任务，结合状态机和计数器机制，程序将耗时短且需周期性执行的操作（按键检测、LED 控制）放在中断中处理，主循环仅负责非实时任务（如显示更新）。这种设计确保了系统的高响应性和非阻塞特性。

补充（为什么不会阻塞）

LED_Tick() 函数在定时器中断（TIM2_IPQHandler）中被调用，而 LED1_Count++ 是中断服务程序（ISR）中的一个操作。LED1_Count++ 不会阻塞程序运行的原因与中断的机制和代码设计密切相关，以下是详细解释：

  1. 中断的抢占特性
    中断优先级：
    定时器中断（如 TIM2_IRQHandler）具有高于主循环的优先级。当定时器中断触发时，CPU 会立即暂停主循环的执行，跳转到中断服务函数中运行 LED_Tick()。

中断执行时间短：
LED_Tick() 中的操作（如 LED1_Count++、条件判断、LED 状态切换）均为简单操作，执行时间极短（通常在微秒级）。中断服务函数会快速完成并退出，释放 CPU 控制权，主循环随即恢复执行。

  1. 非阻塞设计的关键
    计数器自增的原子性：
    LED1_Count++ 是一个原子操作（在大多数嵌入式架构中，uint16_t 自增是单指令操作），不会被主循环打断。即使主循环正在修改 LED1_Mode，中断服务函数也能安全地更新 LED1_Count。

状态机与模式分离：

主循环：仅负责更新 LED1_Mode（通过按键触发），不直接操作硬件或耗时逻辑。

中断：根据 LED1_Mode 的值，通过 LED_Tick() 周期性更新 LED1_Count 和 LED 状态。
两者的职责分离，确保主循环不被阻塞。

  1. 代码中的具体实现
    LED_Tick() 的分支逻辑：

c
复制
else if(LED1_Mode == 2) {
LED1_Count++;
LED1_Count %= 1000;
if(LED1_Count < 500) LED1_ON();
else LED1_OFF();
}
快速执行：每个分支仅包含简单的算术运算（%）、比较和 GPIO 操作，无耗时操作（如延时、循环等待）。

计数器自增可控：LED1_Count 的范围通过 %= 1000 或 %= 100 限制，避免溢出问题。

  1. 主循环与中断的协作
    主循环无等待：
    主循环中的代码（如 OLED_ShowNum()）无需等待 LED_Tick() 完成。即使中断频繁触发，主循环也能在中断间隙继续执行。

中断频率合理：
定时器中断周期为 1ms（由 TIM_Period 和 TIM_Prescaler 决定），中断处理时间远小于中断间隔，不会导致中断堆积或主循环饥饿。

  1. 数据一致性问题（额外注意事项）
    虽然 LED1_Count++ 本身不会阻塞，但需要注意 主循环和中断共享变量 的潜在风险：

LED1_Mode 的并发修改：
如果主循环正在修改 LED1_Mode（如 LED1_MODE++），而中断同时读取 LED1_Mode，可能导致数据不一致（如读到中间状态）。
解决方案：

使用原子操作或禁用中断保护共享变量：

c
复制
// 主循环中修改 LED1_Mode 时，临时禁用中断
__disable_irq();
LED1_MODE++;
__enable_irq();
将 LED1_Mode 声明为 volatile，防止编译器优化导致意外行为：

c
复制
volatile uint8_t LED1_MODE = 0;
总结
LED1_Count++ 不会阻塞程序，是因为：

中断服务函数执行时间极短（微秒级）。

主循环和中断职责分离，无耗时操作。

定时器中断频率合理，避免抢占主循环。

共享变量（如 LED1_Mode）需注意并发访问问题，但代码中未显式处理，可能存在潜在风险。

通过这种设计，LED 状态更新和主循环任务（如 OLED 显示、按键检测）可以并行执行，实现非阻塞的系统行为。

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