RT-Thread快速入门-时钟管理

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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，如延时、线程的时间片轮转调度以及定时器超时等。时钟节拍（OS Tick）是操作系统中最小的时间单位。

时钟节拍是特定的周期性中断，这个中断之间的时间间隔取决于具体的应用，一般是 1-100ms。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。

RT-Thread 中，一个时钟节拍的时长根据 rtconfig.h 配置文件中， RT_TICK_PER_SECOND 的 定 义 来 调 整， 等 于 1/RT_TICK_PER_SECOND 秒 。

时钟节拍的实现

时钟节拍由配置为中断触发模式的硬件定时器产 生，在中断服务程序中调用如下函数，通知操作系统已经过去一个系统时钟：

void rt_tick_increase(void)
{
  struct rt_thread *thread;

  /* 全局 rt_tick 递增 */
#ifdef RT_USING_SMP
  rt_cpu_self()->tick ++;
#else
  ++ rt_tick;
#endif

  /* 检查时间片 */
  thread = rt_thread_self();

  -- thread->remaining_tick;
  if (thread->remaining_tick == 0)
  {
    /* 重新赋初值 */
    thread->remaining_tick = thread->init_tick;
    /* 线程挂起 */
    thread->stat |= RT_THREAD_STAT_YIELD;

    /* yield */
    rt_thread_yield();
  }

  /* 检查定时器 */
  rt_timer_check();
}

从源代码中可以看出，每经过一个时钟节拍，全局变量 rt_tick 的值就会加 1。然后检查当前线程的时间片是否用完，以及是否有定时器超时。如果当前线程的时间片用完，则进行同优先级线程之间的切换。

不同的硬件定时器中断实现都不同，以 STM32 定时器中断为例：

void SysTick_Handler(void)
{
  /* 进 入 中 断 */
  rt_interrupt_enter();
  ……
  rt_tick_increase();
  /* 退 出 中 断 */
  rt_interrupt_leave();
}

在中断函数中，调用 rt_tick_increase() 对全局变量 rt_tcik 加 1。

rt_tick 的值表示了系统从启动到现在共经过的时钟节拍个数。

定时器工作机制

RT-Thread 提供的定时器基于系统的节拍，提供了基于节拍整数倍的定时能力，即定时器定时以时钟节拍为单位。如此，定时器定时长短是 OS Tick 时长的整数倍。

如果一个时钟节拍是 10ms，那么系统软件定时器时长只能是 10ms、20ms、100等，而不能是 15ms。

定时器介绍

RT-Thread 提供了两种类型的定时器：

• 单次触发定时器。这类定时器触发一次定时器事件后，会自动停止。
• 周期触发定时器。这类定时器会周期性地触发定时器事件，直到用户手动停止。

另外，根据超时函数执行时所处地的上下文环境，RT-Thread 的定时器有两种工作模式：

• HARD_TIMER 模式，超时函数在中断上下文环境中执行。
• SOFT_TIMER 模式，在系统创建的定时器线程上下文环境中执行。

HARD_TIMER 模式的定时器

这种模式是 RT-Thread 定时器默认的工作方式，定时器超时后，超时函数在系统时钟中断的上下文环境中执行。

这种情况下，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、执行时不应该导致当前线程挂起等。否则会导致其他中断的响应时间加长，或抢占了其他线程执行的时间。

SOFT_TIMER 模式的定时器

这种工作模式，需要通过宏定义 RT_USING_TIMER_SOFT 来决定是否启用。启用这个模式后，RT-Thread 会在初始化时创建一个 timer 线程，SOFT_TIMER 模式的定时器超时函数都会在 timer 线中执行。

定时器如何工作

RT-Thread 维护着两个重要的全局变量：

• rt_tick , 当前系统经过的时钟节拍个数。
• rt_timer_list , 定时器链表。创建并激活的定时器都会按照超时时间从小到大进行排序，插入到这个链表中。

如下图所示，系统当前的 rt_tick 值为 20，且已经创建并启动了三个定时器：（1）定时为 50 个节拍的 Timer1（2）定时为 100 个节拍的 timer2（3）定时为 500 个节拍的 timer3。

这三个定时器分别加上系统当前时间 rt_tick, 从小到大排序链接在 rt_timer_list 中：

rt_tick 随着硬件定时器的触发一直在增长，50 个节拍后，rt_tick 从 20 增长到 70，与 Timer1 的 timerout 值相同，这时会触发 Timer1 定时器关联的超时函数，同时将其从 rt_timer_list 链表上删除。

同理，100 个节拍和 500 个节拍过去后，Timer2 和 Timer3 定时器的超时函数会被触发执行，将定时器 Timer2 和 Timer3 从 rt_timer_list 中删除。

定时器控制块

定时器控制块是 RT-Thread 用于管理定时器的一个数据结构，由结构体 struct rt_timer 定义形成定时器内核对象，再链接到内核容器中进行管理。

定时器控制块会存储定时器的一些信息，例如初始时钟节拍数、超时到达的节拍数、定时器之间连接用的链表结构、超时回调函数等。具体定义如下：

struct rt_timer
{
  struct rt_object parent;
  rt_list_t row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL]; /* 定时器链表节点 */
  
  void (*timeout_func)(void *parameter);  /* 定时器超时函数 */
  void *parameter;                        /* 超时函数的参数 */
  
  rt_tick_t init_tick;     /* 定时器设定的超时节拍数 */
  rt_tick_t timeout_tick;  /* 定时器实际超时时的节拍数 */
};
typedef struct rt_timer *rt_timer_t;

定时器管理

前面介绍了定时器相关的理论知识，那么 RT-Thread 提供了怎样的定时器操作函数，以及如何使用它们呢？

RT-Thread 提供的定时器相关的操作包括：

• 创建/初始化定时器
• 启动定时器
• 控制定时器
• 删除/脱离定时器

所有定时器会在定时超时后从定时器链表中被删除，而周期性定时器会在它再次启动时被加入定时器链表中。

1. 创建定时器

创建一个定时器有两种方式：动态创建和静态初始化。

动态创建一个定时器，使用如下函数接口：

rt_timer_t rt_timer_create(const char *name,
                           void (*timeout)(void *parameter),
                           void       *parameter,
                           rt_tick_t   time,
                           rt_uint8_t  flag)

调用此函数后，内核自动从内存堆中分配一个定时器控制块，然后初始化该定时器控制块。各个参数说明如下：

参数	描述
name	定时器名称
timeout	定时器超时函数指针
parameter	定时器超时函数的入口参数
time	定时器超时时间，单位是时钟节拍
flag	创建定时器的参数，其值包括单次定时、周期定时、硬件定时器、软件定时器等

创建失败，返回 RT_NULL。创建成功，则返回定时器控制块指针。

定时器标志用到的宏定义：

#define RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT 0x0    /* 单 次 定 时 */
#define RT_TIMER_FLAG_PERIODIC 0x2    /* 周 期 定 时 */

#define RT_TIMER_FLAG_HARD_TIMER 0x0  /* 硬 件 定 时 器 */
#define RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER 0x4  /* 软 件 定 时 器 */

上面两组可以以 "或"逻辑方式赋值给 flag。

静态创建一个定时器，需要用户定义一个定时器控制块结构体 struct rt_timer 变量，然后 rt_timer_init() 函数对其初始化。该函数原型如下：

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);

该函数比 rt_timer_create() 多了一个参数 timer，其他参数都相同，不再赘述。参数 timer 实际上是定时器控制块指针。

2. 启动定时器

定时器创建之后，不会被立即启动，需要在调用启动定时器函数接口后，才开始工作。

RT-Thread 提供的启动定时器函数如下：

rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer);

函数的参数 timer 为定时器控制块指针（定时器句柄），指向要启动的定时器控制块。

调用启动函数后，定时器的状态更改为激活状态，并按照超时时间顺序插入到 rt_timer_list 队列链表中。

启动定时器后，如果想停止它，可以用下面的函数：

rt_err_t rt_timer_stop(rt_timer_t timer);

调用该函数后，定时器状态更改为停止，并从 rt_timer_list 链表中脱离出来，不参与定时器超时检查。

函数返回 RT_EOK，表示成功停止定时器。返回 -RT_ERROR，说明定时器已经处于停止状态了。

定时器应用演示

理论+实践是学习新知识最有效的方法。

举例来演示如何创建定时器。这个例程动态创建两个定时器，一个单次定时器，一个周期定时器，并让定时器运行一段时间后停止。代码如下：

#include 

/* 定时器的控制块 */
static rt_timer_t timer1;
static rt_timer_t timer2;
static int cnt = 0;

/* 定时器1超时函数 */
static void timeout1(void *parameter)
{
	rt_kprintf("periodic timer is timeout %d\n", cnt);
	/* 运行第 10 次，停止周期定时器 */
	if (cnt++>= 9)
	{
		rt_timer_stop(timer1);
		rt_kprintf("periodic timer was stopped! \n");
	}
}
/* 定时器 2 超时函数 */
static void timeout2(void *parameter)
{
	rt_kprintf("one shot timer is timeout\n");
}

int main()
{
	/* 创建定时器1周期定时器 */
	timer1 = rt_timer_create("timer1", timeout1,
                RT_NULL, 10,
                RT_TIMER_FLAG_PERIODIC);
	/* 启动定时器1 */
	if (timer1 != RT_NULL) 
	{
		rt_timer_start(timer1);
	}
	
	/* 创建定时器2单次定时器 */
	timer2 = rt_timer_create("timer2", timeout2,
                RT_NULL, 30,
                RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT);
	/* 启动定时器2 */
	if (timer2 != RT_NULL) 
	{
		rt_timer_start(timer2);
	}
	
	return 0;
}

编译运行结果如下：

周期性定时器 1 的超时函数，每 10 节拍运行 1 次，共运行 10 次，之后停止（调用 rt_timer_stop()）。

单次定时器 2 的超时函数在 30 个时钟节拍后运行一次。

下面举例说明静态创建定时器，需要定义定时器控制块结构变量，然后调用初始化函数对其初始化：

#include 

/* 定时器的控制块 */
static struct rt_timer timer1;
static struct rt_timer timer2;
static int cnt = 0;

/* 定时器1超时函数 */
static void timeout1(void* parameter)
{
  rt_kprintf("periodic timer is timeout\n");
  /* 运行10次 */
  if (cnt++>= 9)
  {
  	rt_timer_stop(&timer1);
  }
}
/* 定 时 器 2 超 时 函 数 */
static void timeout2(void* parameter)
{
	rt_kprintf("one shot timer is timeout\n");
}

int main(void)
{
  /* 初始化定时器1 */
  rt_timer_init(&timer1, "timer1", /* 定 时 器 名 字 是 timer1 */
              timeout1, RT_NULL, 10, 
              RT_TIMER_FLAG_PERIODIC); /* 周期定时器 */
	/* 初始化定时器2 */
  rt_timer_init(&timer2, "timer2", /* 定 时 器 名 字 是 timer2 */
              timeout2, RT_NULL, 30,
              RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT); /* 单次定时器 */

/* 启动定时器 */
  rt_timer_start(&timer1);
  rt_timer_start(&timer2);

	return 0;
}

其执行结果与动态创建示例相同。

其他定时器管理函数

初学者掌握定时器创建使用即可，RT-Thread 还提供了其他的定时器管理函数，可以了解学习。

1. 删除定时器

动态创建的定时器，可以用下面的函数删除：

rt_err_t rt_timer_delete(rt_timer_t timer);

调用这个函数接口后，系统会把这个定时器从 rt_timer_list 链表中删除，然后释放相应的定时器控制块占有的内存。

静态创建的定时器，可以用下边的函数脱离定时器：

rt_err_t rt_timer_detach(rt_timer_t timer);  

脱离定时器时，系统会把定时器对象从内核对象容器中脱离，但是定时器对象所占有的内存不会被释放。

2. 控制定时器

RT-Thread 也额外提供了定时器控制函数接口，以获取或设置更多定时器的信息。控制定时器函数接口如下：

rt_err_t rt_timer_control(rt_timer_t timer, rt_uint8_t cmd, void* arg);

控制定时器函数接口可根据命令类型参数，来查看或改变定时器的设置。

参数 cmd 为用于控制定时器的命令，当前支持四个命令：设置定时时间、查看定时时间、设置单次触发、设置周期触发。

#define RT_TIMER_CTRL_SET_TIME      0x0  /* 设置定时器超时时间 */
#define RT_TIMER_CTRL_GET_TIME      0x1  /* 获得定时器超时时间 */
#define RT_TIMER_CTRL_SET_ONESHOT   0x2  /* 设置定时器为单次定时器 */
#define RT_TIMER_CTRL_SET_PERIODIC  0x3  /* 设置定时器为周期型定时器 */

arg 为控制命令的参数。

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