RT-Thread定時器工作機制以及定時器的管理方式

前言

本文記錄RT-Thread的時鐘相關(guān)知識，包括時鐘節(jié)拍、RT-Thread定時器工作機制以及定時器的管理方式，在定時器方面有硬件定時器和軟件定時器，這里不講硬件定時器，硬件定時器只需學習裸機時候的硬件定時器即可。后面進行實際的操作時采STM32L475VET6，RTT&正點原子聯(lián)合出品潘多拉開發(fā)板進行實驗。

一、時鐘節(jié)拍

任何操作系統(tǒng)都需要提供一個時鐘節(jié)拍，以供系統(tǒng)處理所有和時間有關(guān)的事件，如線程的延時、線程的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度以及定時器超時等。時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷，這個中斷可以看做是系統(tǒng)心跳，中斷之間的時間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般是 1ms–100ms，時鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大，從系統(tǒng)啟動開始計數(shù)的時鐘節(jié)拍數(shù)稱為系統(tǒng)時間。

1、定義時鐘節(jié)拍大小

RT-Thread 中，時鐘節(jié)拍的長度可以根據(jù) RT_TICK_PER_SECOND 的定義來調(diào)整，RT_TICK_PER_SECOND 在rtconfig.h里面定義，時鐘節(jié)拍的長度等于 1/RT_TICK_PER_SECOND 秒，如下是1個時鐘節(jié)拍為1ms：

1#defineRT_TICK_PER_SECOND1000//定義時鐘節(jié)拍，為1000時表示1000個tick每秒，一個tick為1ms

2、時鐘節(jié)拍的實現(xiàn)方式

時鐘節(jié)拍由配置為中斷觸發(fā)模式的硬件定時器產(chǎn)生。

在前面講移植RT-Thread的時候，修改board.c中，有如下函數(shù)：

1voidSysTick_Handler(void) 2{ 3/*enterinterrupt*/ 4rt_interrupt_enter(); 5 6rt_tick_increase(); 7 8/*leaveinterrupt*/ 9rt_interrupt_leave();10}

當中斷到來時，將調(diào)用一次rt_tick_increase();，而在中斷函數(shù)中調(diào)用 rt_tick_increase() 對全局變量 rt_tick 進行自加，如下代碼：

1/** 2*Thisfunctionwillnotifykernelthereisonetickpassed.Normally, 3*thisfunctionisinvokedbyclockISR. 4*/ 5voidrt_tick_increase(void) 6{ 7structrt_thread*thread; 8 9/*increasetheglobaltick*/10++rt_tick;1112/*checktimeslice*/13thread=rt_thread_self();1415--thread->remaining_tick;16if(thread->remaining_tick==0)17{18/*changetoinitializedtick*/19thread->remaining_tick=thread->init_tick;2021/*yield*/22rt_thread_yield();23}2425/*checktimer*/26rt_timer_check();27}

可以看到全局變量 rt_tick 在每經(jīng)過一個時鐘節(jié)拍時，值就會加 1，rt_tick 的值表示了系統(tǒng)從啟動開始總共經(jīng)過的時鐘節(jié)拍數(shù)，即系統(tǒng)時間。此外，每經(jīng)過一個時鐘節(jié)拍時，都會檢查當前線程的時間片是否用完，以及是否有定時器超時。

注意：上面的中斷中的rt_timer_check()用于檢查系統(tǒng)硬件定時器鏈表，如果有定時器超時，將調(diào)用相應(yīng)的超時函數(shù)。且所有定時器在定時超時后都會從定時器鏈表中被移除，而周期性定時器會在它再次啟動時被加入定時器鏈表。

3、獲取時鐘節(jié)拍

在RT-Thread中，全局變量rt_tick在每經(jīng)過一個時鐘節(jié)拍時，值就會加 1，通過調(diào)用rt_tick_get會返回當前rt_tick的值，即可以獲取到當前的時鐘節(jié)拍值。此接口可用于記錄系統(tǒng)的運行時間長短，或者測量某任務(wù)運行的時間。

1/** 2*Thisfunctionwillreturncurrenttickfromoperatingsystemstartup 3* 4*@returncurrenttick 5*/ 6rt_tick_trt_tick_get(void) 7{ 8/*returntheglobaltick*/ 9returnrt_tick;10}11RTM_EXPORT(rt_tick_get);

二、軟件定時器

RT-Thread 的軟件定時器提供兩類定時器機制：第一類是單次觸發(fā)定時器，這類定時器在啟動后只會觸發(fā)一次定時器事件，然后定時器自動停止。第二類是周期觸發(fā)定時器，這類定時器會周期性的觸發(fā)定時器事件，直到用戶手動的停止，否則將永遠持續(xù)執(zhí)行下去。軟件定時器的優(yōu)先級為RT_TIMER_THREAD_PRIO。

1、開啟軟件定時宏

如果要開啟使用軟件定時器，需再rtconfig.h中打開軟件定時器的宏：

1#defineRT_USING_TIMER_SOFT//定義該宏可開啟軟件定時器，未定義則關(guān)閉

2、軟件定時器工作機制

（1）在 RT-Thread 定時器模塊中維護著兩個重要的全局變量：

（A）當前系統(tǒng)經(jīng)過的 tick 時間 rt_tick（當硬件定時器中斷來臨時，它將加 1）；（B）定時器鏈表 rt_timer_list。系統(tǒng)新創(chuàng)建并激活的定時器都會按照以超時時間排序的方式插入到rt_timer_list 鏈表中。

（2）如下圖所示，系統(tǒng)當前 tick 值為 20，在當前系統(tǒng)中已經(jīng)創(chuàng)建并啟動了三個定時器，分別是定時時間為50 個tick的Timer1、100 個tick的 Timer2 和 500 個 tick 的 Timer3，這三個定時器分別加上系統(tǒng)當前時間rt_tick=20，從小到大排序鏈接rt_timer_list鏈表中，形成如圖所示的定時器鏈表結(jié)構(gòu)。而rt_tick隨著硬件定時器的觸發(fā)一直在增長（每一次硬件定時器中斷來臨，rt_tick變量會加 1），50個tick以后，rt_tick從 20 增長到 70，與Timer1的timeout值相等，這時會觸發(fā)與Timer1定時器相關(guān)聯(lián)的超時函數(shù)，同時將 Timer1 從rt_timer_list鏈表上刪除。同理，100 個 tick 和 500 個 tick 過去后，與Timer2 和 Timer3 定時器相關(guān)聯(lián)的超時函數(shù)會被觸發(fā)，接著將 Time2 和 Timer3 定時器從rt_timer_list鏈表中刪除。

定時器鏈表插入示意圖（來源RT-Thread編程指南）

（3）如果系統(tǒng)當前定時器狀態(tài)在 10 個tick以后（rt_tick=30）有一個任務(wù)新創(chuàng)建了一個 tick 值為 300 的Timer4 定時器，由于 Timer4 定時器的timeout=rt_tick+300=330, 因此它將被插入到 Timer2 和 Timer3定時器中間，形成如下圖所示鏈表結(jié)構(gòu)。

圖片占位 定時器鏈表插入示意圖（來源RT-Thread編程指南）

注意：所有定時器在定時超時后都會從定時器鏈表中被移除，而周期性定時器會在它再次啟動時被加入定時器鏈表。

3、動態(tài)創(chuàng)建軟件定時器函數(shù)

調(diào)用動態(tài)創(chuàng)建軟件定時器函數(shù)接口后，內(nèi)核首先從動態(tài)內(nèi)存堆中分配一個定時器控制塊，然后對該控制塊進行基本的初始化，函數(shù)如下：

1rt_timer_trt_timer_create(constchar*name,2void(*timeout)(void*parameter),3void*parameter,4rt_tick_ttime,5rt_uint8_tflag);

（1）入口參數(shù)：

name：定時器的名稱。name 定時器的名稱void (timeout) (voidparameter)：定時器超時函數(shù)指針（當定時器超時時，系統(tǒng)會調(diào)用這個函數(shù)，即定時器超時回調(diào)函數(shù)）。parameter：定時器超時函數(shù)的入口參數(shù)（當定時器超時時，調(diào)用超時回調(diào)函數(shù)會把這個參數(shù)做為入口參數(shù)傳遞給超時函數(shù)）。time：定時器的超時時間，單位是時鐘節(jié)拍。flag：定時器創(chuàng)建時的參數(shù)，支持的值包括單次定時、周期定時、硬件定時器、軟件定時器等（可以用 “或” 關(guān)系取多個值）。

（2）返回值：

RT_NULL：創(chuàng)建失?。ㄍǔ捎谙到y(tǒng)內(nèi)存不夠用而返回 RT_NULL）定時器的句柄：定時器創(chuàng)建成功時返回定時句柄。

（3）include/rtdef.h中定義了一些定時器相關(guān)的宏，通過如下4個宏或起來后賦給flag，來指定定時器類型：

1#defineRT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT0x0/**

4、刪除動態(tài)定時器函數(shù)

當不再需要動態(tài)定時器時，可以將其刪除，執(zhí)行如下函數(shù)之后系統(tǒng)會把這個定時器從rt_timer_list鏈表中刪除，然后釋放相應(yīng)的定時器控制塊占有的內(nèi)存：rt_err_t rt_timer_delete(rt_timer_t timer);

（1）入口參數(shù)：

timer：定時器句柄，指向要刪除的定時器。

（2）返回值：RT_EOK：刪除成功（如果參數(shù) timer 句柄是一個 RT_NULL，將會導致一個 ASSERT 斷言）

5、靜態(tài)創(chuàng)建軟件定時器

靜態(tài)創(chuàng)建軟件定時器也就是《RT-Thread編程指南》里面所講的定時器初始化，如下面函數(shù)，使用該函數(shù)接口時會初始化相應(yīng)的定時器控制塊，初始化相應(yīng)的定時器名稱，定時器超時函數(shù)：

1voidrt_timer_init(rt_timer_ttimer,2constchar*name,3void(*timeout)(void*parameter),4void*parameter,5rt_tick_ttime,6rt_uint8_tflag);

（1）入口參數(shù)：

timer：定時器句柄，指向要初始化的定時器控制塊。name：定時器的名稱void (timeout) (voidparameter)：定時器超時函數(shù)指針（當定時器超時時，系統(tǒng)會調(diào)用這個函數(shù)，即定時器超時回調(diào)函數(shù)）。parameter：定時器超時函數(shù)的入口參數(shù)（當定時器超時時，調(diào)用超時回調(diào)函數(shù)會把這個參數(shù)做為入口參數(shù)傳遞給超時函數(shù)）。time：定時器的超時時間，單位是時鐘節(jié)拍flag：定時器創(chuàng)建時的參數(shù)，支持的值包括單次定時、周期定時、硬件定時器、軟件定時器（可以用 “或” 關(guān)系取多個值）。

6、刪除靜態(tài)定時器函數(shù)

當不再需要靜態(tài)定時器時，可將它刪除，也就是《RT-Thread編程》指南里面所說的脫離定時器。脫離定時器時，系統(tǒng)會把定時器對象從內(nèi)核對象容器中脫離，但是定時器對象所占有的內(nèi)存不會被釋放：

1rt_err_trt_timer_detach(rt_timer_ttimer);

（1）入口參數(shù)：

timer：定時器句柄，指向要脫離的定時器控制塊。

（2）返回值：

RT_EOK：脫離成功。

7、啟動軟件定時器

前面講了定時器的創(chuàng)建，但創(chuàng)建好的定時器并不會立即開始工作，需要在調(diào)用啟動定時器函數(shù)接口后才開始工作，調(diào)用定時器啟動函數(shù)接口后，定時器的狀態(tài)將更改為激活狀態(tài)（RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED），并按照超時順序插入到rt_timer_list隊列鏈表中，啟動函數(shù)如下：

1rt_err_trt_timer_start(rt_timer_ttimer);

（1）入口參數(shù)：

timer：定時器句柄，指向要啟動的定時器控制塊。

（2）返回值：

RT_EOK：啟動成功。

8、停止軟件定時器

啟動定時器以后，若想使它停止，可調(diào)用停止函數(shù)，調(diào)用定時器停止函數(shù)接口后，定時器狀態(tài)將更改為停止狀態(tài)（RT_TIMER_FLAG_DEACTIVATED），并從rt_timer_list鏈表中脫離出來不參與定時器超時檢查，函數(shù)如下：

1rt_err_trt_timer_stop(rt_timer_ttimer);

（1）入口參數(shù)：

timer：定時器句柄，指向要停止的定時器控制塊。

（2）返回值：

RT_EOK：成功停止定時器。RT_ERROR：timer 已經(jīng)處于停止狀態(tài)。。

9、控制定時器

控制定時器函數(shù)接口可根據(jù)命令類型參數(shù)，來查看或改變定時器的設(shè)置，函數(shù)如下：

1rt_err_trt_timer_control(rt_timer_ttimer,intcmd,void*arg);

（1）入口參數(shù)：

timer：定時器句柄，指向要停止的定時器控制塊。cmd：用于控制定時器的命令，當前支持四個命令，分別是設(shè)置定時時間，查看定時時間，設(shè)置單次觸發(fā)，設(shè)置周期觸發(fā)。arg：與 cmd 相對應(yīng)的控制命令參數(shù)比如，cmd 為設(shè)定超時時間時，就可以將超時時間參數(shù)通過arg 進行設(shè)定。

（2）函數(shù)參數(shù) cmd 支持的命令：

1#defineRT_TIMER_CTRL_SET_TIME0x0/*設(shè)置定時器超時時間*/2#defineRT_TIMER_CTRL_GET_TIME0x1/*獲得定時器超時時間*/3#defineRT_TIMER_CTRL_SET_ONESHOT0x2/*設(shè)置定時器為單次定時器*/4#defineRT_TIMER_CTRL_SET_PERIODIC0x3/*設(shè)置定時器為周期型定時器*/

（3）返回值：

RT_EOK：成功

三、基于STM32的軟件定時器應(yīng)用示例

前面講了很多RT-Thread定時器方面的東西，實際上，我如果用RT-Thread的定時相關(guān)接口的話，一般都是用軟件定時器，硬件定時器通常我們都是自己像以前學習裸機那邊去用。接下來我們來實際使用一些RT-Thread的軟件定時器，使用RTT&正點原子聯(lián)合出品的潘多拉開發(fā)板來實驗：（1）動態(tài)創(chuàng)建一個軟件定時器，周期執(zhí)行，實現(xiàn)定時器超時時打印出當前獲取滴答定時器的計數(shù)值以及回調(diào)函數(shù)執(zhí)行次數(shù)。（2）動態(tài)創(chuàng)建一個線程，通過按下KEY0來啟動軟件定時器，按下KEY1來停止軟件定時器。

1、實現(xiàn)代碼

1#include"main.h" 2#include"board.h" 3#include"rtthread.h" 4#include"data_typedef.h" 5#include"delay.h" 6#include"led.h" 7#include"key.h" 8 9voidrt_sw_timer1(void); 10voidkey_start(void); 11 12staticrt_timer_ttimer1;/*timer1句柄*/ 13intg_sw_timer1_count=0; 14 15intmain(void) 16{ 17rt_sw_timer1(); 18key_start(); 19 20return0; 21} 22 23/************************************************************** 24函數(shù)名稱:rt_sw_timer1_callback 25函數(shù)功能:軟件定時timer1回調(diào)函數(shù) 26輸入?yún)?shù):parameter：回調(diào)函數(shù)的入口參數(shù)，當定時器超時， 27調(diào)用回調(diào)函數(shù)會把這個參數(shù)做為入口參數(shù)傳遞給回調(diào)函數(shù)。 28返回值:無 29備注:無 30**************************************************************/ 31voidrt_sw_timer1_callback(void*parameter) 32{ 33u32tick_num1; 34 35tick_num1=(u32)rt_tick_get();/*獲取滴答定時器的計數(shù)值*/ 36g_sw_timer1_count++; 37 38rt_kprintf("tick_num1=%d\r\n",tick_num1); 39rt_kprintf("enterrt_sw_timer_callback,g_sw_timer1_count=%d\r\n",g_sw_timer1_count); 40} 41 42/************************************************************** 43函數(shù)名稱:rt_sw_timer1 44函數(shù)功能:軟件定時timer1動態(tài)創(chuàng)建函數(shù) 45輸入?yún)?shù):無 46返回值:無 47備注:無 48**************************************************************/ 49voidrt_sw_timer1(void) 50{ 51/*動態(tài)創(chuàng)建軟件定時器，周期執(zhí)行*/ 52timer1=rt_timer_create("timer1", 53rt_sw_timer1_callback, 54RT_NULL, 555000,/*周期為5000個時鐘節(jié)拍*/ 56RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER|RT_TIMER_FLAG_PERIODIC);/*軟件定時器，周期執(zhí)行*/ 57} 58 59/************************************************************** 60函數(shù)名稱:key_thread_entry 61函數(shù)功能:key線程入口函數(shù) 62輸入?yún)?shù):parameter：線程入口函數(shù)參數(shù) 63返回值:無 64備注:無 65**************************************************************/ 66voidkey_thread_entry(void*parameter) 67{ 68u8key; 69 70while(1) 71{ 72key=key_scan(0); 73if(key==KEY0_PRES) 74{ 75rt_timer_start(timer1); 76rt_kprintf("RT-Threadswtimer1satrt\r\n"); 77} 78elseif(key==KEY1_PRES) 79{ 80rt_timer_stop(timer1); 81rt_kprintf("RT-Threadswtimer1stop\r\n"); 82} 83rt_thread_mdelay(1); 84} 85 86} 87 88/************************************************************** 89函數(shù)名稱:key_start 90函數(shù)功能:創(chuàng)建并啟動key線程 91輸入?yún)?shù):無 92返回值:無 93備注:無 94**************************************************************/ 95voidkey_start(void) 96{ 97rt_thread_tkey_thread=RT_NULL;; 98 99/*動態(tài)創(chuàng)建KEY線程*/100key_thread=rt_thread_create("key",101key_thread_entry,102RT_NULL,103512,/*線程棧大小，單位是字節(jié)*/104RT_THREAD_PRIORITY_MAX/2-5,/*優(yōu)先級*/10550);/*50個時鐘節(jié)拍*/106/*創(chuàng)建KEY線程成功，則啟動線程*/107if(key_thread!=RT_NULL)108{109rt_thread_startup(key_thread);110}111}

2、觀察FinSH

（1）開機之后，等待超過軟件定時配置的周期過后，還是沒有打印出回調(diào)函數(shù)要打印的信息，說明回調(diào)函數(shù)沒有被執(zhí)行，為什么呢？因為我們創(chuàng)建軟件定時器之后還沒啟動軟件定時器，我們輸入list_timer回車，可以看到timer1是處于deactivated狀態(tài)。

（2）按下KEY0按鍵，啟動軟件定時器，可觀察到每個5s打印一次當前tick的數(shù)值和回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，將前后兩次tick的數(shù)值相減大概為5006ms，再次輸入list_timer，可看到timer1為activated狀態(tài)。

（3）按下KEY1按鍵，停止軟件定時器，停止打印回調(diào)函數(shù)要打印的信息，輸入list_timer，可以看到timer1為deactivated狀態(tài)。

四、軟件定時器設(shè)計注意事項

在設(shè)計日軟件定時器時，超時回調(diào)函數(shù)的要求嚴格：執(zhí)行時間應(yīng)該盡量短，執(zhí)行時不應(yīng)導致當前上下文掛起、等待。例如在中斷上下文中執(zhí)行的超時函數(shù)它不應(yīng)該試圖去申請動態(tài)內(nèi)存、釋放動態(tài)內(nèi)存等，也不允許調(diào)用rt_thread_delay()等導致上下文掛起的 API 接口。