contiki系统分析六:时钟

contiki系统提供了一系列的时钟库,可以供contiki系统或者用户态的程序调用.

时钟库包括时钟到期检查.在调度时钟时低功耗的模块被唤醒,实时的任务调度.

定时器也可以让执行具体的事情过程中进入休眼状态.

contiki的定时器的种类

contiki包抱一个时钟模块,但是有多个时钟模型:timer, stimer, ctimer, etimer, rtimer.不同的时钟有不同的作用.有的定时器运行时间长,但是间隔时间短,有的间隔时间长,但是运行时间短.有些能用于中断的上下文中(rtimer),但是有些不行.

定时器模块提供系统时钟,并且可以短时间的阻塞CPU.整个时钟库就是基于定时器来做的.

timer和stimer是提供了最简单的时钟操作,即检查时钟周期是否已经结束.应用程序需要从timer中读出状态,判断时钟是否过期.两种时钟最大的不同在于,tmiers是使用的系统时钟的ticks,而stimers是使用的秒,也就是stimers的一个时钟周期要长一些.和其它的时钟不同,这两个时钟能够在中断中安全使用.可以用到低层的驱动代码上.

etimer库主要提供的是事件时钟(event timer),在一个时钟周期后,contiki系统可以使用这个时钟做事件调度.主要用在contiki进程当系统的其它功能工作或休眼时,这个进程在等待一个时钟周期.

ctimer库主要用于回调时钟(callback timers),主要用一个时钟周期完了之后,去调度回调函数.当其它进程进入工作或者休眼状态时,这个进程仍然可以等待ctimer.由于ctimer本来就是当一个时钟周期结束时,去调用一个函数并且执行.ctimer运用的场合一般在没有明显的进程的地方,比如协议的执行时可以用到ctimer.ctimer可以通过rime协议栈去管理通讯是否超时的.

rtimer库主要是用来调度实时任务的.可以用到任何运行的contiki进程中,用时钟调度的方式去让实时任务运行.rtimer可用在对时间要求极严的的场合,比如无线电模块要在不延时的情况下开启或者关闭.

timer模块

实现文件core/sys/timer.c,对应的头文件是用来外部调用的.

contiki的timer是用来提供定时器的基本设置重启,清零.或者是检查时间到期.应用程序必须去主动检查定时器是否过期,不能自动的的获得过期的消息.

timer模块用clock_time()来获得当前的系统时间.但是对于不同的MCU,读取定时器的方法会有所有同,所以这个函数对不同的MCU有一套不同的定义.

比如CC2530芯片,clock_time()的实现在cpu/cc253x/dev/clock.c中,是contiki的系统时钟.

timer结构体定义在core/sys/timer.h中,同样,其它的不同类弄的模块都有符合自身功能的一个结构体的定义.

struct timer {
  clock_time_t start;
  clock_time_t interval;
};

其中clocl_time_t是一个unsigned short型的变量,定义在cpu/cc253x/8051def.h中.这里有一个8051的文件,是由于sdcc是基于8051的编译器,而CC2530也是一个增强型的8051.

timer结构体中包含两个变量,start,开始计数点,interval,过期时问.

timer库的API如下所示

void timer_set(struct timer *t, clock_time_t interval) : 开始定时器
void timer_reset(struct timer *t) : 以过期的时间间隔(interval)为起始点,重启timer
void timer_restart(struct timer *t) : 以当前时间,即clock_time()为起始点,重启tiemr
int timer_expired(struct timer *t) : 检查定时器是否到期
clock_time_t timer_remaining(struct timer *t) : 定时器计时结束的话,返回值是不可预料的.反回正数表示定时器还差多长时间(只是一个估计值)

值得注意的是,初始化timer必须要第一步调用timer_set(),它会初始化start和interval的值.

timer库可以安全的用在中断中.下面有个例子,就是说明在中断中如何去探测定时器结束.

 static struct timer rxtimer;
 
 void init(void) {
   timer_set(&rxtimer, CLOCK_SECOND / 2);
 }
 
 interrupt(UART1RX_VECTOR)
 uart1_rx_interrupt(void)
 {
   if(timer_expired(&rxtimer)) {
     /* Timeout */
     /* ... */
   }
   timer_restart(&rxtimer);
   /* ... */
 }

上面的这个例子中的interrupt函数有许多局限性,是根据CPU的特点定义的,所以需要看MCU层支持的代码.

另外,关于clock_time()这个函数的实现,也牵涉到MCU,现在以2530为例来分析一下.

在cpu/cc253x/dev/clock.c这个文件中,有两个函数.

/*---------------------------------------------------------------------------*/
CCIF clock_time_t
clock_time(void)
{
  return count;
}
/*---------------------------------------------------------------------------*/
CCIF unsigned long
clock_seconds(void)
{
  return seconds;
}

里面实现了clock_time和clock_seconds,同时也引出了两个全局变量count和seconds.这两个变量正是timer和stimer实现的关键.前面提到过,timer是以tick为单位来计数的,但是stimer是以seconds为单位计数的.我们看一下这两个全局变量的定义cpu/cc253x/dev/clock.c:

/* Sleep timer runs on the 32k RC osc. */
/* One clock tick is 7.8 ms */
#define TICK_VAL (32768/128)  /* 256 */
/*---------------------------------------------------------------------------*/
#if CLOCK_CONF_STACK_FRIENDLY
volatile __bit sleep_flag;
#else
#endif
/*---------------------------------------------------------------------------*/
/* Do NOT remove the absolute address and do NOT remove the initialiser here */
__xdata __at(0x0000) static unsigned long timer_value = 0;

static volatile __data clock_time_t count = 0; /* Uptime in ticks */
static volatile __data clock_time_t seconds = 0; /* Uptime in secs */

对于CC2530的CPU来说,总共包含了两个高频振荡器(32MHz的晶振和16MHz的RC振荡器)和两个低频振荡器(32KHz的晶振和低频振荡器).

休眼时钟是运行在32KHz的RC振荡器上的.精确的振荡周期为32.768KHz,

而系统的一个tick就是#define TICK_VAL (32768/128) /* 256 */来规定的.

这里做一下简单的计算,1/(32768/256)也就是7.8ms.

在CC2530的clock实现中,每一次增加count就加1.

然后在cpu/cc253x/8051def.h中间有

/* Defines tick counts for a second. */
#define CLOCK_CONF_SECOND   128

这个定义是7.8msx128=1s,也就是说,seconds的值与count的值是128倍的关系.

这样cc2530同时保留了timer和stimer的增量.

stimer模块

实际上stimer这个模块跟timer的用法,及API的功能完全一致,只不过是以seconds为单位计时的.而且在timer中也提到了如何实现的.

API如下

void stimer_set(struct stimer *t, unsigned long interval)
void stimer_reset(struct stimer *t)
void stimer_restart(struct stimer *t) 
int stimer_expired(struct stimer *t) 
unsigned long stimer_remaining(struct stimer *t) 

etimer模块

contiki中的etimer是提供了一个时钟来产生计时事件.当结束计时时,会给进程发送一个PROCESS_EVENT_TIMER类型的事件.etimer使用的时钟是clock_time(),即系统时钟.

etimer时钟最核心的内容就是etimer这个结构体.

struct etimer {
  struct timer timer;
  struct etimer *next;
  struct process *p; 
};

单看这个结构体,不看其它内容.可以知道etimer是用链表形式管理的,每一个etimer对应于一个进程.

void etimer_set(struct etimer *t, clock_time_t interval) : 开始时钟
void etimer_reset(struct etimer *t) : 以前的时间间隔重新没置时钟
void etimer_restart(struct etimer *t) : 以当前的时间为间隔设置时钟
void etimer_stop(struct etimer *t) : 停止时钟
int etimer_expired(struct etimer *t) : 检查时钟是否终止
int etimer_pending() : 检查还有没有时钟在工作
clock_time_t etimer_next_expiration_time() :得到下一个事件时钟的终止时间.
void etimer_request_poll() :这一个接口在后面再详细描述。

要注意，由于时钟事件本身就是用用contiki系统的事件时钟调度的。当一个事件时钟需要从另一个contiki的process里面回调一个函数时。可以用PROCESS_CONTEXT_BEGIN() 和PROCESS_CONTEXT_END() 来临时的改变一下进程的上下文。
还要注意的是，etimer不能用在中断中。因为它是进程间的调度。

下面是一个例子，使用了一个事件定时器，让一个进程每分钟执行一次。

 PROCESS_THREAD(example_process, ev, data)
 {
   static struct etimer et;
   PROCESS_BEGIN();
 
   /* Delay 1 second */
   etimer_set(&et, CLOCK_SECOND);
 
   while(1) {
     PROCESS_WAIT_EVENT_UNTIL(etimer_expired(&et));
     /* Reset the etimer to trig again in 1 second */
     etimer_reset(&et);
     /* ... */
   }
   PROCESS_END();
 }

对于etimer的实现core/sys/etimer.c，还有一部分内容需要说明。

timerlist是把整个的etimer做为了个链表来维护的。然后在add_timer中采用前序插入法，把最新的etimer放到最前面。然后供etimer_set等API去做内部调用。

next_expiration变量。主要是用于获得下一次的etimer的时间间隔。用来实现etimer时钟的校准。遍历了链表上所有的etimer，如果哪个etimer的间隔时间最短，就把它做为next_expiration。即最小值。

static struct etimer *timerlist;
static clock_time_t next_expiration;

....
/*---------------------------------------------------------------------------*/
static void
update_time(void)
{
  clock_time_t tdist;
  clock_time_t now;
  struct etimer *t; 

  if (timerlist == NULL) {
    next_expiration = 0;
  } else {
    now = clock_time();
    t = timerlist;
    /* Must calculate distance to next time into account due to wraps */
    tdist = t->timer.start + t->timer.interval - now;
    for(t = t->next; t != NULL; t = t->next) {
      if(t->timer.start + t->timer.interval - now < tdist) {
    tdist = t->timer.start + t->timer.interval - now;
      }   
    }   
    next_expiration = now + tdist;
  }
}

其中在etimer_stop实现中

void
etimer_stop(struct etimer *et)
{
  struct etimer *t;

  /* First check if et is the first event timer on the list. */
  if(et == timerlist) {
    timerlist = timerlist->next;
    update_time();
  } else {
    /* Else walk through the list and try to find the item before the
       et timer. */
    for(t = timerlist; t != NULL && t->next != et; t = t->next);

    if(t != NULL) {
      /* We've found the item before the event timer that we are about
     to remove. We point the items next pointer to the event after
     the removed item. */
      t->next = et->next;

      update_time();
    }
  }

  /* Remove the next pointer from the item to be removed. */
  et->next = NULL;
  /* Set the timer as expired */
  et->p = PROCESS_NONE;
}

注意一下中间的for循环，它是用于找出下一个etimer是传入参数et的情况。然后再把et这个链表的指向销毁。然后把进程标记为空，即PROCESS_NONE。

这儿有一个疑问。为什么在创建，销毁时钟时，没有使用malloc，free之类的操作。其根本原因还是由于contiki本身适用于内存受限的操作系统，而且在编译时，把程序的各个段己经规定好了,不使用HEAP区域。etimer的内存空间最多也只能放在data或者是bss段中。所以才有了只清除内部的变量，而不释放本身的内存的做法。实际上，个人建议，把etimer的分配放到前面内存分配讨论过的mmem方式在初始化系统时去动态分配内存比较好。

etimer是依赖于MCU平台的。并且它需要依靠etimer_request_poll() 去回调进程，用来管理事件定时器。这也意味着，etimer可以让系统从休眼状态中唤醒，关于MCU的休眼和唤醒，在硬件上有特定的定时器。比如在cc2530中，就有专门的sleep timer来实现。etimer库提供了3个接口来实现操作。

etimer_pending() 检查是否有还没有过期的etimer

etimer_next_expiration_time() 得到下一个etimer的过期时间。

etimer_request_poll() 用来通知etimer库系统时钟要改变了或者是etimer要过期了,一般会周期性的调这个函数，然后检查系统时钟中否改变了。这个函数可以用在中断中。

由于etimer_repuest_poll()是用来调用etimer_process进程.我们把这个进程的代码再分析一遍.

/*---------------------------------------------------------------------------*/
PROCESS_THREAD(etimer_process, ev, data)
{
  struct etimer *t, *u;

  PROCESS_BEGIN();

  timerlist = NULL;

  while(1) {
    PROCESS_YIELD();

    if(ev == PROCESS_EVENT_EXITED) {
      struct process *p = data;

      while(timerlist != NULL && timerlist->p == p) {
    timerlist = timerlist->next;
      }

      if(timerlist != NULL) {
    t = timerlist;
    while(t->next != NULL) {
      if(t->next->p == p) {
        t->next = t->next->next;
      } else
        t = t->next;
    }
      }
      continue;
    } else if(ev != PROCESS_EVENT_POLL) {
      continue;
    }

  again:

    u = NULL;

    for(t = timerlist; t != NULL; t = t->next) {
      if(timer_expired(&t->timer)) {
    if(process_post(t->p, PROCESS_EVENT_TIMER, t) == PROCESS_ERR_OK) {

      /* Reset the process ID of the event timer, to signal that the
         etimer has expired. This is later checked in the
         etimer_expired() function. */
      t->p = PROCESS_NONE;
      if(u != NULL) {
        u->next = t->next;
      } else {
        timerlist = t->next;
      }
      t->next = NULL;
      update_time();
      goto again;
    } else {
      etimer_request_poll();
    }
      }
      u = t;
    }

  }

  PROCESS_END();
}

在这个函数的实现中，我们可以看到：

timerlist是整个系统统护的etimer的链表.由于protothread的作用,当前进程可能随时改变.那么,timerlist的值也会改变.

etimer_process主要是收集要结束的etimer,并且给其它进程发出event timer类型的消息.

接受PROCESS_EVENT_EXIT事件，找出要退出的etimer；

接受PROCESS_EVENT_TIMER事件，然后再从事件队列里删除已经到期的etimer，并且标记为PROCESS_NONE。
PROCESS_EVENT_POLL的事件没有做任何处理,大概属于后期处理的代码。

实际上，etimer_process这个进程运行的目的也就是不断的销毁即将退出的etimer.

ctimer模块

contiki系统中的回调的计时器,底层照例用的clock_time()这个系统时钟.

首先关心的是ctimer的结构体:

struct ctimer {
  struct ctimer *next;
  struct etimer etimer;
  struct process *p; 
  void (*f)(void *); 
  void *ptr;
};

其中ctimer->f即回调函数的接口.ctimer->ptr表示回调函数的参数.

列出了ctimer的API,由于使用方法与上面的timer相同,不做过多的解释.

void ctimer_set(struct ctimer *c, clock_time_t t, void(*f)(void *), void *ptr) 
void ctimer_reset(struct ctimer *t)
void ctimer_restart(struct ctimer *t) 
void ctimer_stop(struct ctimer *t)
int ctimer_expired(struct ctimer *t) 

示例:

static void
 callback(void *ptr)
 {
   ctimer_reset(&timer);
   /* ... */
 }
 
 void
 init(void)
 {
   ctimer_set(&timer, CLOCK_SECOND, callback, NULL);
 }

我们再来分析一下ctimer的启动和设置情况.涉及到两个函数

void ctimer_init(void);

void ctimer_set(struct ctimer *c, clock_time_t t,void (*f)(void *), void *ptr);

init函数必需在contiki开始启动时调用,一般放在初始化的变量中.

set函数有4个传入参数

*c表示需要使用的ctimer的地址

t表示使用的时钟,有tick和second之分

f是回调的函数

*ptr是回调函数的参数,一般可以写个结构体.如果没有,可以把这个参数设为NULL.

set函数执行的时机,一般在这个ctimer过期时,就开始执行回调函数.

我们再看看ctimer_process这个进程的实现.

PROCESS(ctimer_process, "Ctimer process");
PROCESS_THREAD(ctimer_process, ev, data)
{
  struct ctimer *c; 
  PROCESS_BEGIN();

  for(c = list_head(ctimer_list); c != NULL; c = c->next) {
    etimer_set(&c->etimer, c->etimer.timer.interval);
  }
  initialized = 1;

  while(1) {
    PROCESS_YIELD_UNTIL(ev == PROCESS_EVENT_TIMER);
    for(c = list_head(ctimer_list); c != NULL; c = c->next) {
      if(&c->etimer == data) {
    list_remove(ctimer_list, c); 
    PROCESS_CONTEXT_BEGIN(c->p);
    if(c->f != NULL) {
      c->f(c->ptr);
    }   
    PROCESS_CONTEXT_END(c->p);
    break;
      }   
    }   
  }
  PROCESS_END();
}

由于ctimer同样也是event timer,只不过多了一个回调的功能,所以在初始化ctimer时,用etimer_set来初始化系统启动时需要的ctimer.然后标记初始化完成.在ctimer_process中,主要是去轮询过期的ctimer,然后再进行回调.请注意,由于回调函数在另一个进程中,所以根据protothread的设计,需要调用PROCESS_CONTEXT_BEGIN()和PROCESS_CONTEXT_END()来临时的开辟其它进程中的上下文,最后关闭.

rtimer模块

第一步还是看一下rtimer的结构体

struct rtimer {
  rtimer_clock_t time;
  rtimer_callback_t func;
  void *ptr;
};

时钟类型,回调函数名,然后回调函数的参数.

函数指针定义

typedef void (* rtimer_callback_t)(struct rtimer *t, void *ptr);

这个timer不再是一个链表,只是一个timer,去提供实时性的需求.

rtimer本来就是用做contiki的实时任务的.有自己的时钟模块.利用rtimer_time来得到当前的系统时钟.然后用RTIMER_SECOND表示每一分钟的tick数.这儿的时钟跟timer模块用的晶振不一样.这已经是CPU上的时钟了.在CC2530上,利用CLKCONCMD寄存器,设置成500KHz的时钟.由于分频置TICKSPD[2:0]设的32MHz,也就是说RTIMER_SECOND设置成 500KHz/32Hz 为15625U,定义在cpu/cc253x/rtimer-arch.h中.是属于体系结构相关的代码.

和contiki中的其它时钟库不一样.rtimer要保证实时任务的优先级,并且立即执行.主要是大部分的函数都不具备优先执行权,所以用rtimer去优先执行是可取的.如果放在中断安全的一些函数中例如process_poll()中执行的话,与其它非优先级的进程一起执行的话,容易产生冲突,造成非优线程只能异步去执行.

有两种类型的实时任务.一种是硬实时任务,一种是软实时任务.其中硬实时任务的优先级要高点,

rtimer与其它的timer不一样的是,它在平台这一层只是提供了三个接口.

rtimer_init, rtimer_set, rtimer_run_next这三个接口.但是这三个接口的实现是严重依赖于MCU的特性的.

其中主要调用了rtimer_arch_schedule,在cc2530中是把时钟的模式先捕获,捕获完了做输出比较.

rtimer的具体实现现在还是分析的相当明白.需要对cc2530的定时器模式和工作流程做好分析之后,才能回过头来看rtimer 具体作用.