RT-Thread时钟管理学习总结

01/20 07:30
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时间,不管在任何生活场合,都是一个非常重要概念。试想一下,假如没有了时间,这个世界几乎所有的事物都会乱套,但同时很多科学家也会提出疑问,在客观世界里面,时间是真实存在的吗?(扯得有点远~哈哈)


回到正题,任何操作系统的运行,都离不开时间。因为操作系统需要有一个界定标准,去规划各种进程或线程的运行,时间就是这个统一的标准。操作系统通过时间的流逝,定期去检查线程是否已经达到调度标准,定期去检查是否有一些定时任务需要执行,等等。


关于RT-Thread时钟管理相关的内容,官方提供了比较丰富的文档作为参考,具体可以查看以下链接:

https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/timer/timer/


本文尝试从以下几个方面总结一下RT-Thread时钟管理的学习过程。

时钟相关的概念描述

 

什么是时钟节拍?任何操作系统都需要人为地提供一个时钟节拍,通常这个时钟节拍被称为系统心跳,而且这个系统心跳是通过一个硬件定时器来周期性提供的。这个时钟节拍就好像我们生活里面的钟表的秒针一样,每过一秒,秒针活动一格。


在操作系统里面,硬件定时器中断一次,用来记录时钟节拍的全局变量(rt_tick)就会累加,这个变量只会增加而不会减少,因为时间总是往前流逝的。比如我们初始化硬件定时器为1毫秒中断一次,那这个 rt_tick 每过1毫秒就会加1。


如上图所示,硬件定时器每1毫秒中断一次,产生一个节拍。假如系统监测到在第8个节拍的时候,某个线程的时间片用完了,就会执行一次线程调度;假如在第n+1个节拍的时候,监测到某个定时器的时间到了,就会开始执行这个定时器任务。


RT-Thread是如何实现时钟节拍的?相信不少工程师都知道,Cortex-M系列单片机内部有一个嘀嗒时钟 systick 硬件定时器,RT-Thread 就是使用这个 systick 时钟来触发定时器中断,然后实现时钟节拍的全局变量不断自增。


定时器的管理机制


在单片机裸机编程的时候,通常都是使用硬件定时器进行计数,当硬件定时器的计数值满足溢出条件后,就会触发定时器中断,然后我们在定时器中断里面处理任务就可以了。


在RT-Thread实时操作系统里面,提供了一种软件定时器机制,这种软件定时器的定时长度是以时钟节拍为单位的,并且定时的时间长度必须是时钟节拍的整数倍。软件定时器可以设置为单次触发或周期触发,也可以设置为HARD_TIMER模式或SOFT_TIMER模式。


定时器HARD_TIMER模式,这种模式下的定时器超时函数,需要在中断的上下文环境下执行,并且对于超时函数的要求与中断服务函数的要求是一致的,也就是说,超时函数的执行时间要足够短,执行时不能挂起线程,不能去申请或释放动态内存。


定时器的SOFT_TIMER模式,这种模式相当于启动了一个定时器线程,定时器的超时函数会在这个timer线程的上下文环境下执行,该模式使用的时候,没有HARD_TIMER模式那么复杂,因为这种模式其实就是一个定时器线程在进行工作和调度。


RT-Thread的定时器模块里面,维护了一个有序的定时器链表,这个链表是用来管理当前处于活动状态的定时器的,每次时钟节拍中断的时候,都会检测这个定时器链表,看看是否有超时时间到达。RT-Thread官方对这个定时器链表的工作机制已经做了详细的描述,如下图所示。


对于有序链表的搜索,是比较消耗时间的,所以为了加快链表的搜索速度,RT-Thread在原来有序链表的基础上,加入了跳表算法,使用这种算法可以加快链表搜索元素的速度,提升搜索的效率,但跳表算法是一种用“空间换时间”的算法,会有一定的内存消耗。


定时器相关的API函数


RT-Thread提供了一系列API函数接口,方便开发者对定时器进行一系列操作,包括::创建/初始化定时器、启动定时器、运行定时器、删除/脱离定时器。


所有定时器在定时超时后都会从定时器链表中被移除,而周期性定时器会在它再次启动时被加入定时器链表,这与定时器参数设置相关。在每次的操作系统时钟中断发生时,都会对已经超时的定时器状态参数做改变。

定时器应用示例


定时器相关的应用示例,主要是为了验证以上定时器相关的API函数接口,这里包含两个定时器示例,分别是动态定时器示例和静态定时器示例。


示例源码下载链接:

https://github.com/embediot/rtthread_study_notes

https://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes


动态定时器示例和静态定时器示例都是创建两个定时器,一个定时器是单次触发模式,一个定时器是周期性触发模式。


timer_test.h头文件里面,通过打开相应的宏定义开关,重新编译工程源码,下载到开发板即可验证实验现象,如下图所示。


定时器使用的注意事项


RT-Thread定时器在使用的时候,为了确保定时器能正常运行,应该有以下注意事项:


1、应该根据不同的应用场合,设置系统的时钟节拍,时钟节拍一般是1 – 100ms,时钟节拍的数值越小,表示频率越快,系统的额外开销就会越大。


2、在系统节拍的中断函数里面,会不断检查硬件定时器链表,如果有定时器超时时间到达,就会去处理相应的超时任务,超时后就会从链表中移除这个定时器,对于周期性定时器,再次启动时会重新加入链表。


3、定时器链表的跳表算法,是用空间来换取时间的,所以要根据实际的硬件资源设置跳表的层数,表示跳表层数的宏定义RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL默认为1


4、RT-Thread的定时器精度,是由时钟节拍来决定的,定时器的超时时间必须是时钟节拍的整数倍,在Cortex-M系列的单片机中,可以使用systick的工作机制来获得一个低于时钟节拍的延时。


5、低于时钟节拍的高精度延时的示例函数,如下图所示。


本文分享自微信公众号 - 嵌入式客栈(embInn)。
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