【玩转RT-Thread】 时钟管理（原理+实战）
文章目录
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- 序言
- 一、时钟节拍
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- 1、void SysTick_Handler()
- 2、void rt_tick_increase()
- 3、rt_tick_get(void)；
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- 二、定时器管理
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- 1、概念
- 2、RT-Thread定时器介绍
- 3、定时器源码分析
- 4、定时器工作机制
- 5、定时器相关接口
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- 三、高精度延时
序言
操作系统需要通过时间来规范其任务的执行，操作系统中最小的时间单位是时钟节拍 (OS Tick)。
一、时钟节拍
任何操作系统都需要提供一个时钟节拍， 以供系统处理所有和时间有关的事件，如线程的延时、线程的时间片轮转调度以及定时器超时等。
RT-Thread 中，时钟节拍的长度可以根据 RT_TICK_PER_SECOND 的定义来调整，等于 1/RT_TICK_PER_SECOND 秒。也就是说，在RT-Thread中，系统的时钟节拍频率是由RT_TICK_PER_SECOND决定的！
rtconfig.h配置文件中定义:
频率是1000HZ周期是1/1000 s
所以节拍是1ms
#define RT_ TiCK PER_ SECOND 1000
1、void SysTick_Handler()
在RT-Thread中，当系统滴答定时器时间到了的时候，就会执行void SysTick_Handler（系统滴答定时器中断处理函数）这个回调函数（中断处理函数）
可以发现在
void SysTick_Handler()这个函数中，首先会执行中断入口函数，然后void rt_tick_increase对rt_tick(系统滴答时钟,初值为0，静态全局变量)进行自加操作,会记录从启动到现在的时钟节拍数
2、void rt_tick_increase()
也就是说，系统滴答定时器中断处理函数会每1ms触发一次systick定时器中断
3、rt_tick_get(void)；
名称：获取系统统计函数
功能：返回当前操作系统的时钟数
返回值：返回当前时钟数
二、定时器管理
1、概念
定时器，是指从指定的时刻开始，经过一定的指定时间后触发一个事件，例如定个时间提醒第二天能够按时起床。定时器有硬件定时器和软件定时器之分：
1）硬件定时器是芯片本身提供的定时功能。一般是由外部晶振(HSE)提供给芯片输入时钟，芯片向软件模块提供一组配置寄存器，接受控制输入，到达设定时间值后芯片中断控制器产生时钟中断。硬件定时器的精度一般很高，可以达到纳秒级别，并且是中断触发方式。
2）软件定时器是由操作系统提供的一类系统接口，它构建在硬件定时器基础之上，使系统能够提供不受数目限制的定时器服务。
RT-Thread 操作系统提供软件实现的定时器，以时钟节拍（OS Tick）的时间长度为单位，即定时数值必须是 OS Tick 的整数倍，例如一个 OS Tick 是 10ms，那么上层软件定时器只能是 10ms，20ms，100ms 等，而不能定时为 15ms。RT-Thread 的定时器也基于系统的节拍，提供了基于节拍整数倍的定时能力。
2、RT-Thread定时器介绍
RT-Thread 的定时器提供两类定时器机制：
第一类是单次触发定时器，这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件，然后定时器自动停止。
第二类是周期触发定时器，这类定时器会周期性的触发定时器事件，直到用户手动的停止，否则将永远持续执行下去。
另外，根据超时函数执行时所处的上下文环境，RT-Thread 的定时器可以分为 HARD_TIMER 模式（硬件定时器模式）与 SOFT_TIMER 模式（软件定时器模式），如下图。
1）HARD_TIMER 模式：中断上下文
HARD_TIMER 模式的定时器超时函数在中断上下文环境中执行，可以在初始化 / 创建定时器时使用参数RT_TIMER_FLAG_HARD_TIMER来指定。
在中断上下文环境中执行时，对于超时函数的要求与中断服务例程的要求相同：执行时间应该尽量短，执行时不应导致当前上下文挂起、等待。例如在中断上下文中执行的超时函数它不应该试图去申请动态内存、释放动态内存等。
2）SOFT_TIMER 模式：线程上下文
SOFT_TIMER 模式可配置，通过宏定义 RT_USING_TIMER_SOFT 来决定是否启用该模式。
该模式被启用后，系统会在初始化时创建一个 timer 线程，然后 SOFT_TIMER 模式的定时器超时函数在都会在 timer 线程的上下文环境中执行。可以在初始化 / 创建定时器时使用参数 RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER 来指定设置 SOFT_TIMER 模式。
3、定时器源码分析
1）RT-Thread OS 启动阶段，执行rtthread_startup函数，在该函数中调用了定时器初始化函数
2）rt_system_timer_init（硬件定时器初始化）
void rt_system_timer_init(void)
{
int i;// 结构体数组，在初始化的时候只有一个元素，就是链表头，后期添加定时器，按定时器定时时间顺序进行顺序插入
for (i = 0; i < sizeof(rt_timer_list) / sizeof(rt_timer_list[0]); i++)
{
rt_list_init(rt_timer_list + i);
}
}
3）rt_system_timer_thread_init（软件定时器初始化）
4、定时器工作机制
下面以一个例子来说明 RT-Thread 定时器的工作机制。在 RT-Thread 定时器模块中维护着两个重要的全局变量：
（1）当前系统经过的 tick 时间 rt_tick（当硬件定时器中断来临时，它将加 1）；
（2）定时器链表 rt_timer_list。系统新创建并激活的定时器都会按照以超时时间排序的方式插入到 rt_timer_list 链表中。
如下图所示，系统当前 tick 值为 20，在当前系统中已经创建并启动了三个定时器，分别是定时时间为 50 个 tick 的 Timer1、100 个 tick 的 Timer2 和 500 个 tick 的 Timer3，这三个定时器分别加上系统当前时间 rt_tick=20，从小到大排序链接在 rt_timer_list 链表中，形成如图所示的定时器链表结构。
而 rt_tick 随着硬件定时器的触发一直在增长（每一次硬件定时器中断来临，rt_tick 变量会加 1），50 个 tick 以后，rt_tick 从 20 增长到 70，与 Timer1 的 timeout 值相等，这时会触发与 Timer1 定时器相关联的超时函数，同时将 Timer1 从 rt_timer_list 链表上删除。
同理，100 个 tick 和 500 个 tick 过去后，与 Timer2 和 Timer3 定时器相关联的超时函数会被触发，接着将 Timer2 和 Timer3 定时器从 rt_timer_list 链表中删除。
如果系统当前定时器状态在 10 个 tick 以后（rt_tick=30）有一个任务新创建了一个 tick 值为 300 的 Timer4 定时器，由于 Timer4 定时器的 timeout=rt_tick+300=330, 因此它将被插入到 Timer2 和 Timer3 定时器中间，形成如下图所示链表结构：
5、定时器相关接口
1）动态创建定时器
动态创建声明：
rt_timer_t rt_timer_create(const char *name,
void (*timeout)(void *parameter),
void *parameter,
rt_tick_t time,
rt_uint8_t flag);
详细函数定义：
查看flag定义：
#define RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT 0x0 // 单次触发
#define RT_TIMER_FLAG_PERIODIC 0x2 // 周期性触发
#define RT_TIMER_FLAG_HARD_TIMER 0x0 // 硬件定时器模式
#define RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER 0x4 // 软件定时器模式
同时这里我们注意到
rt_timer_create这个函数的返回值是rt_timer_t，通过查找定义可以发现该类型是通过typedef重命名的也就是说
struct rt_timer<=>*rt_timer_t
typedef struct rt_timer *rt_timer_t;
下面我们也可以详细看到rt_time这个结构体对定时器的一个详细描述
struct rt_timer
{
struct rt_object parent; /**< inherit from rt_object */
rt_list_t row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL];
void (*timeout_func)(void *parameter); /**< timeout function */
void *parameter; /**< timeout function's parameter */
rt_tick_t init_tick; /**< timer timeout tick */
rt_tick_t timeout_tick; /**< timeout tick */
};
2）删除定时器
函数声明：
rt_err_t rt_timer_delete(rt_timer_t timer);
函数返回值：返回操作系统的状态，成功返回0，失败返回1
3）动态创建定时器演示
// 主函数
int main(void)
{
tm = rt_timer_create("tm_demo",tm_callback,NULL,3000, RT_TIMER_FLAG_PERIODIC | RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER);
if(tm == RT_NULL)
{
LOG_E("rt_timer_create faile...\n");
return -ENOMEM;
}
LOG_D("rt_timer_create successed...\n");
return 0;
}
在这里也可以看到，我们设置了一个名为tm_demo的定时器，设置超时时间为3s，同时flag我们是设置为周期定时和软件定时（flag设置详见上文flag定义 ）。
// 编写中断回调函数（超时函数）
void tm_callback(void *parameter)
{
}
// 返回值结构图定义
rt_timer_t tm ;
4）开启定时器
函数声明：
rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer);
函数返回值：成功返回0，失败返回1
5）实例：
rt_timer_start(tm);
此时我们在超时函数中编写代码：
void tm_callback(void *parameter)
{
rt_kprintf("tm_callback is running...\n");
}
此时回到串口查看，就可以发现tm_demo这个定时器已经被激活了，并且定时器的周期和超时时间也都发生改变，由于我们在上面设置的超时时间为3S，所以在串口显示会三秒打印一次信息
6）静态创建定时器
函数定义：
void rt_timer_init(rt_timer_t timer,
const char *name,
void (*timeout)(void *parameter),
void *parameter,
rt_tick_t time,
rt_uint8_t flag);
这里我们看下rt_timer_init这个函数的返回值和参数
返回值：void
参数：
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| timer | 结构体指针类型 |
| name | 名字 |
| timeout | 超时回调函数指针 |
| parameter | 传递给超时回调函数的参数 |
| time | 定时器时间 |
| flag | 定时器标志 |
7）脱离函数(静态创建时使用)
描述：当静态创建的定时器不需要在使用时，我们调用下面这个函数接口
函数声明：
rt_err_t rt_timer_detach(rt_timer_t timer);
返回值：成功返回0，失败返回1
8）定时器控制
函数声明：
rt_err_t rt_timer_control(rt_timer_t timer, int cmd, void *arg);
cmd命令定义查看
#define RT_TIMER_CTRL_SET_TIME 0x0 /**< set timer control command */
#define RT_TIMER_CTRL_GET_TIME 0x1 /**< get timer control command */
#define RT_TIMER_CTRL_SET_ONESHOT 0x2 /**< change timer to one shot */
#define RT_TIMER_CTRL_SET_PERIODIC 0x3 /**< change timer to periodic */
#define RT_TIMER_CTRL_GET_STATE 0x4 /**< get timer run state active or deactive*/
实例：
查看终端数据，可以发现终端执行顺序为：打印一次tm的中断回调函数信息，然后打印三次tm2的信息。
#include 三、高精度延时
注意:这个函数只支持低于1个OS Tick的延时，否则 SysTick会出现溢出而不能够获 得指定的延时时间
- 函数声明:
void rt_hw_us_delay(rt_uint32_t us);
- 应用场景：应用于某些场景下对高精度延时有要求的情况下