最高效率使用單片機，放棄程序中的延時函數

我第一次看到教程里Delay（）函數的代碼時我嚇了一跳，竟然讓單片機空轉以實現和外界同步，這怎么可能？
試想，如果PC機CPU空轉一秒，那么音樂會斷一秒、畫面會停頓一秒、下載文件會斷一秒，這怎么可行？

我看到很多單片機程序，它們的單片機99.9%的工作時間都在打空轉，99.9%大家可能感到有些危言聳聽，那就讓我們算一算：

已內部8M頻的AVR單片機來說，單指令周期僅為1/8 = 0.125us，那一毫秒可以執(zhí)行多少個單周期指令？ 1%0.125*1000 = 8000個

而我看到論壇里下到的絕大多數程序，兩個延時函數之間代碼的執(zhí)行時間要遠遠小于8000個指令周期。
說實話，很多16K以上的程序，把所有延時函數去掉，總體能執(zhí)行幾毫秒就不錯了。

換句話說，我說單片機的利用率小于0.01%還是口下留情了。

要說怎么解決問題，就要先找到問題，我問問大家，程序中，我們?yōu)槭裁囱訒r？

原因很多，可能是外設速度太慢，也可能是為了躲過人眼視覺停留時間，等等。
總之就是與外界不同步，而我們想要同步。

所以說這些延時應該是很有道理的，我不否定這一點，但問題的關鍵這些延時空轉，我們?yōu)槭裁床荒馨堰@些時間回收起來做一些別的事呢？
試想，如果把這99.9%的時間回收，那可以一筆相當巨大的資源。

有很多人有些特殊方法回收過這些空轉時間，比如說在延時函數中做點事。

但這些往往都不通用，下面我說一些我的兩種方法：

1、前后臺模式下延時時間回收的方法：

前后臺模式就是大家最常用的主程序大循環(huán) + 中斷的模式。

首先解決外設太慢問題，像串口、鍵盤、LCD、SD卡等IO，這些收發(fā)可以建立外部緩沖區(qū)。比如串口收發(fā)在中斷中完成保存到緩沖區(qū)，而主程序操作緩沖區(qū)而不直接操縱串口，這已經看到很多人這樣用了。但像矩陣鍵盤的緩沖區(qū)，我很少看到有人這么用，在中斷中接收按鍵信息保存到緩沖區(qū)。
還有像LCD，我們一個個往顯存中寫數據是很浪費的，也應該建立緩沖，統(tǒng)一處理。

建立緩沖區(qū)這類方式中間有一些技術難點，比如像串口接收，無法判斷對發(fā)是否全部發(fā)完，怎么辦？可以設立定時，如果一個字節(jié)接收之后1ms之內沒收到下一個，則認為接收完畢。這只是一個思想，具體應用大家掌握。

可能有人會說，除了外設太慢，還有像視覺停留的問題怎么解決，總不能讓流水燈快到人眼都看不清吧。
這就我下面要說的問題，這些延時的時間怎么回收？就是全部放到定時中斷中！

可能又有些人會說，書里、教程都說了，中斷處理東西的時間要盡量短，你這樣整個中斷有太多判斷、很長，時間很長，這不行。

這是一種教條的思想，把書讀死了。可以在中斷中這樣處理，比如：

void (*Task)(void);
ISR
{
(*Task)(void);
}

中斷里用的內容通過函數指針來調用，這樣可以在主程序根據需要時任意改變要執(zhí)行的任務，還可以改任務的周期。所用的判斷都是在主程序需中執(zhí)行，然后改變指針的指向，來確定中斷中下一步的任務。

這樣，在前后臺系統(tǒng)中主程序將任務分配完，還有很多余力處理很多事。

比如有很多個鍵盤、LED點陣、數碼管等，它們都需要實時響應，很容造成編程困難、響應遲鈍，其實只要把延時的時間回收，處理這些就非常從容了。

可能還有人會說，有些項目用不了這么苛刻的時間，你回收的時間用不了，要那么多干嘛？

其實這時，你就可以用死循環(huán)掃描事件，可以實時響應。你的系統(tǒng)跟原來空循環(huán)延時比，實時性要高了不知多少倍。

2、變異的協作式內核

先說說嵌入式操作系統(tǒng)的內核，簡單的說，它就是個任務調度器，讓多個任務在同一個CPU上同時執(zhí)行，所謂同時也是相對的，無非就第一個任務執(zhí)行幾毫秒、第二個任務在執(zhí)行幾毫秒。。。外表看起來就是同時執(zhí)行。

至于可剝奪式內核和協作式內核的區(qū)別，大家可以百度一下。

說道能在單片機上用的嵌入式操作系統(tǒng)，大家會說出一些如uCosII、FreeOS等操作系統(tǒng)。
還有很多人對這些操作系統(tǒng)十分抗拒、十分反對，他們的理由是什么？

1、這些操作系統(tǒng)占用大量RAM、ROM
2、這些實時操作系統(tǒng)所謂的實時是相對非實時操作系統(tǒng)的，跟裸機比實際上是慢了

這些理由不是沒道理，因為這些商用操作系統(tǒng)都是可剝奪式內核，它們的原則是保證最高優(yōu)先級任務在可確定的時間內響應。
它們的有優(yōu)點是任務切換時間是確定的，不會隨任務的多少而改變。
有了這些確定性，讓它們在商用產品大放光彩。因為其時間穩(wěn)定性。

但它們的缺點也很明顯，中斷級節(jié)拍浪費很多時間。任務間同時調用時引發(fā)同步問題而引入許多如信號量、郵箱等機制浪費大量RAM、ROM。

綜上，可剝奪式內核穩(wěn)定可定量，在越高級的單片機上越有優(yōu)勢，在8位機上可用，但需要大量裁剪，并不一定合適。

而協作式內核的核心思想是什么？它不像剝奪式內核保證最高級任務速度最快，而是保證所有任務的平均速度最快！

正如我前面的說法，我連續(xù)兩個延時函數之間的代碼很難超過1ms，甚至很難超過100us，我們可以將其忽略。這樣10個任務，第一個執(zhí)行完主動放棄單片機控制權，交給第二個任務，第二個任務執(zhí)行完主動放棄控制權，交給第三個任務。10個任務之間無間隙，每一個任務需要延時時，就主動放棄控制權。

基于這種思想，我們的就達到了回收空轉延時的目的，而且應為每個任務是執(zhí)行完后主動放棄，所以不存在剝奪式內核的同步問題，基本不需要郵箱、信號量等機制，對RAM、ROM的要求就非常低了。

這樣來看，協作式內核非常適合8位機。但可能有太多嵌入式系統(tǒng)的書中對剝奪式內核不分場合的認可，造成很多人誤解。而且uCos等系統(tǒng)的權威，也讓很多RTOS作者爭相效仿，沒用對8位機的場合做合理分析。

商用系統(tǒng)中沒有協作式內核，而民用的，還少有優(yōu)秀的協作式內核，都是基于傳統(tǒng)節(jié)拍。

傳統(tǒng)協作式內核需要定時中斷為時鐘基準，也會間歇性打斷任務，造成不必要的損失，這并不是我們想要的。

我們其實可以僅僅是讓定時器以大分頻系數開著， 而不給其產生中斷的機會。當任務將要放棄使用權時，讀取定時器，作為時鐘基準，然后清零。

做法一句兩句說不清，而效果是什么？可以做到任務是以不受干擾，與裸機相同的工作狀態(tài)，這是傳統(tǒng)協作式內核做不到的，而僅當它需要延時了，才放棄使用權，將延時的時間給其它任務。這正符合我全文的目的 -- 回收空轉延時時間

這樣的內核體積會非常小，運行方式與裸機無異，僅僅是把空轉延時時間干些其它事。對使用者還沒什么要求，不想以往系統(tǒng)那么復雜。

可惜市面上并沒有基于這種方式的內核，我已經寫了一個，非常精簡，運行穩(wěn)定。但作為一個想應用實際的內核，還需要檢驗。我最后檢查一下后，過幾天拿出來大家一起分享。

PS：好了，我上面兩種方式，均為原創(chuàng)。希望能對大家有幫助~ 第二種中介紹的變異協作式內核思想很簡單，有興趣可以自己寫一個，我過幾天會把我的發(fā)上來。