超时处理机制设计：从TICK到回调

在嵌入式软件开发中，超时机制的设计始终是稳定性保障的核心环节。无论是通信握手、外设响应还是任务轮询，只要涉及不确定的等待，合理的超时机制就是系统鲁棒性的底线。在实际应用中，尤其是在 STM32 这类典型的 Cortex-M 系列微控制器平台上，开发者常见的超时处理方式主要可分为两大类：基于时间戳计算的轮询判断法与基于回调机制的定时触发法。

一、基于时间戳差值

原理概述
该方案的核心思想是：通过定时中断维护一个全局 TICK 值，每次中断发生时 TICK 自增。当需要对某个过程进行超时监控时，记录起始时间 StartTick，随后定期读取当前的 CurrentTick，计算两者的差值是否已达到超时时间。

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uint32_t GetTimeElapsed(uint32_t startTick) {
    return (s_u32TCNT - startTick) * t; // t为定时器中断周期
}

应用示意

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typedef struct {
    uint32_t StartTick;
    uint32_t TimeoutMs;
} TimeoutCtrl_t;

TimeoutCtrl_t i2cTimeout;
i2cTimeout.StartTick = s_u32TCNT;
i2cTimeout.TimeoutMs = 100;

while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)) {
    if ((s_u32TCNT - i2cTimeout.StartTick) * t >= i2cTimeout.TimeoutMs) {
        // Timeout处理逻辑
        break;
    }
}

特点分析
优点：

中断中逻辑简单，仅维护 TICK 值；

程序逻辑清晰，便于调试与维护。

缺点：

每次轮询都涉及减法乘法操作，CPU负担较重；

多个定时需求需手动维护多个 StartTick，程序可扩展性较差。

二、基于回调函数

原理概述
该方案借助定时中断机制，维护一个定时服务回调表。每个注册项含有一个倒计时计数器 TCNT，在每次中断中遍历整个表，统一对所有任务执行 TCNT--。当任一 TCNT == 0，则视为超时触发。

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typedef struct {
    uint16_t TCNT;
    void (*TimeoutCallback)(void);
} TimeoutNode_t;

TimeoutNode_t TimeoutList[MAX_TIMEOUT_TASK];

注册与中断处理示意

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void RegisterTimeout(uint16_t timeoutMs, void (*cb)(void)) {
    for (int i = 0; i < MAX_TIMEOUT_TASK; i++) {
        if (TimeoutList[i].TCNT == 0) {
            TimeoutList[i].TCNT = timeoutMs / t;
            TimeoutList[i].TimeoutCallback = cb;
            break;
        }
    }
}

void SysTick_Handler(void) {
    for (int i = 0; i < MAX_TIMEOUT_TASK; i++) {
        if (TimeoutList[i].TCNT > 0) {
            TimeoutList[i].TCNT--;
            if (TimeoutList[i].TCNT == 0 && TimeoutList[i].TimeoutCallback) {
                TimeoutList[i].TimeoutCallback();
            }
        }
    }
}

特点分析
优点：

高度模块化，便于多个子模块共用；

应用层代码更为简洁，不需手动计算 TICK 差值。

缺点：

中断处理复杂，需遍历整个任务数组；

实时性要求高时，需控制注册任务数量，避免中断阻塞。

三、实践中的应用建议

对于小系统或临界任务：首选方案一

如果系统任务较轻、对实时性要求不高，方案一更适合。其中断中逻辑简单，不易出错，也便于调试。
对于复杂系统或多模块协同：推荐方案二

当系统涉及多个子模块同时存在不同定时需求，且希望解耦模块之间的逻辑，建议采用回调机制。通过注册方式统一调度超时事件，可大幅提升代码的可读性和可扩展性。

四、STM32中的实际应用案例

STM32 标准库和 HAL 库中大量使用了超时判断。例如启动外部晶振（HSE）时：

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#define HSE_STARTUP_TIMEOUT   ((uint16_t)0x0500)

do {
    HSEStatus = RCC->CR & RCC_CR_HSERDY;
    StartUpCounter++;
} while((HSEStatus == 0) && (StartUpCounter != HSE_STARTUP_TIMEOUT));

类似的，I2C 通信中若不加超时，可能导致死循环卡死程序：

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uint16_t timeout = 0x0FFF;
while ((!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)) && timeout--) {
    // 若超时耗尽，则退出
}

在嵌入式系统开发中，超时机制的引入不仅是提升用户体验的利器，更是系统健壮性和故障恢复能力的基石。选择合适的超时设计方案，往往决定了产品能否在极限场景下稳定运行。