rt-thread的定时器管理源码分析

2023-06-08,,

1 前言

rt-thread可以采用软件定时器或硬件定时器来实现定时器管理的,所谓软件定时器是指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。而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。软件定时器的精度取决于它使用的硬件定时器精度。而rt-thread操作系统在默认情况下是采用的硬件定时器的方式,用户可以通过修改宏定义#ifdef RT_USING_TIMER_SOFT来修改采用哪种。

2 rt-thread的定时器的基本工作原理

在RT-Thread定时器模块维护两个重要的全局变量,一个是当前系统的时间rt_tick(当硬件定时器中断来临时,它将加1),另一个是定时器链表rt_timer_list,系统中新创建的定时期都会被以排序的方式插入到rt_timer_list(硬件定时器模式下使用)链表中,rt_timer_list的每个节点保留了一个定时器的信息,并且在这个节点加入链表时就计算好了产生时间到达时的时间点,即tick,在rt-thread系统中如果采用软件定时器模式,则存在一定时器线程rt_thread_timer_entry,不断获取当前TICK值并与定时器链表rt_timer_list上的定时器对比判断是否时间已到,一旦发现就调用对应的回调函数,即事件处理函数进行处理,而如果采用硬件定时器管理模式的话,则该检查过程放到系统时钟中断例程中进行处理,此时,是不存在定时器线程的。如下图:注:如果采用软件定时器软件定时器,则该定时器链表为rt_soft_timer_list。

3 源码分析

3.1 数据定义

    /**
    * timer structure
    */
    struct rt_timer
    {
    struct rt_object parent; //内核对象
    rt_list_t        list;      //链表节点
    void (*timeout_func)(void *parameter);  //定时器超时例程
    void            *parameter;       //定时器例程的传入参数
    rt_tick_t        init_tick;       //定时器的超时时间,即总共多长时间将产生超时事件
    rt_tick_t        timeout_tick;     //定时器超时的时间点,即产生超时事件时那一该的时间点
    };
    typedef struct rt_timer *rt_timer_t;

3.2 rt-thread的软件定时器模式

软件定时器线程初始化及启动:

    /**
    * @ingroup SystemInit
    *
    * This function will initialize system timer thread
    */
    void rt_system_timer_thread_init(void)
    {
    #ifdef RT_USING_TIMER_SOFT//如果采用软件定时器管理模式,则启动定时器线程
    rt_list_init(&rt_soft_timer_list);//初始化软件定时器链表
    /* start software timer thread */
    rt_thread_init(&timer_thread,//初始化软件定时器线程,并启动
    "timer",
    rt_thread_timer_entry,
    RT_NULL,
    &timer_thread_stack[0],
    sizeof(timer_thread_stack),
    RT_TIMER_THREAD_PRIO,
    10);
    /* startup */
    rt_thread_startup(&timer_thread);
    #endif
    }

软件定时器线程如下:

    /* system timer thread entry */
    static void rt_thread_timer_entry(void *parameter)
    {
    rt_tick_t next_timeout;
    while (1)
    {
    /* get the next timeout tick */
    next_timeout = rt_timer_list_next_timeout(&rt_soft_timer_list);//得到软件定时器链表上的下一个定时器的超时时间点
    if (next_timeout == RT_TICK_MAX)//如果超过范围,则挂起当前线程,继续线程调度
    {
    /* no software timer exist, suspend self. */
    rt_thread_suspend(rt_thread_self());
    rt_schedule();
    }
    else
    {
    rt_tick_t current_tick;
    /* get current tick */
    current_tick = rt_tick_get();//获取当前时间点
    if ((next_timeout - current_tick) < RT_TICK_MAX/2)//离下个中断时间点还差些时候
    {
    /* get the delta timeout tick */
    next_timeout = next_timeout - current_tick;//计算还差多长时间
    rt_thread_delay(next_timeout);//休眠一段时间
    }
    }
    /* lock scheduler */
    rt_enter_critical();//时间到,进入临界区
    /* check software timer */
    rt_soft_timer_check();//检查是否该产生超时事件
    /* unlock scheduler */
    rt_exit_critical();//退出临界区
    }
    }

检查是否产生中断函数rt_soft_timer_check函数如下定义:

    /**
    * This function will check timer list, if a timeout event happens, the
    * corresponding timeout function will be invoked.
    */
    void rt_soft_timer_check(void)
    {
    rt_tick_t current_tick;
    rt_list_t *n;
    struct rt_timer *t;
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("software timer check enter\n"));
    current_tick = rt_tick_get();//得到当前时间点
    for (n = rt_soft_timer_list.next; n != &(rt_soft_timer_list);)//得到下一定时器节点
    {
    t = rt_list_entry(n, struct rt_timer, list);//t指向rt_timer定时器
    /*
    * It supposes that the new tick shall less than the half duration of
    * tick max.
    */
    if ((current_tick - t->timeout_tick) < RT_TICK_MAX / 2)//如果当前的时间点超过定时器的超时时间点
    {
    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_timer_timeout_hook, (t));//使用钩子函数
    /* move node to the next */
    n = n->next;//指向下一定时器
    /* remove timer from timer list firstly */
    rt_list_remove(&(t->list));//移除当前定时器
    /* call timeout function */
    t->timeout_func(t->parameter);//产生定时器超时事件,调用对应处理函数
    /* re-get tick */
    current_tick = rt_tick_get();//再次获取当前时间点
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("current tick: %d\n", current_tick));
    if ((t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_PERIODIC) &&//如果当前定时器是周期性定时器,则将其再次按序放入软件定时器链表
    (t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED))
    {
    /* start it */
    t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;//置标志为非激活状态
    rt_timer_start(t);//再次将定时器t放入软件定时器链表末尾
    }
    else
    {
    /* stop timer */
    t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;//置标志为非激活状态
    }
    }
    else break; /* not check anymore */
    }
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("software timer check leave\n"));
    }

上面代码中,为什么定时器里判断超时的条件是((current_tick - t→timeout_tick) < RT_TICK_MAX/2)?

因为系统时钟溢出后会自动回绕。取定时器比较最大值是定时器最大值的一半,即RT_TICK_MAX/2(在比较两个定时器值时,值是32位无符号数,相减运算将会自动回绕)。系统支持的定时器最大长度就是RT_TICK_MAX的一半:即248天(10ms/tick),124天(5ms/tick),24.5天(1ms/tick),以下内容相同道理。

其上rt_timer_start函数如下定义:

    /**
    * This function will start the timer
    *
    * @param timer the timer to be started
    *
    * @return the operation status, RT_EOK on OK, -RT_ERROR on error
    */
    rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer)
    {
    struct rt_timer *t;
    register rt_base_t level;
    rt_list_t *n, *timer_list;
    /* timer check */
    RT_ASSERT(timer != RT_NULL);
    if (timer->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED)//如果传入的定时器已经激活,则直接返回错误
    return -RT_ERROR;
    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_object_take_hook, (&(timer->parent)));//使用钩子函数
    /*
    * get timeout tick,
    * the max timeout tick shall not great than RT_TICK_MAX/2
    */
    RT_ASSERT(timer->init_tick < RT_TICK_MAX / 2);
    timer->timeout_tick = rt_tick_get() + timer->init_tick;//得到定时器超时的时间点
    /* disable interrupt */
    level = rt_hw_interrupt_disable();//关中断
    #ifdef RT_USING_TIMER_SOFT//如果采用的是软件定时器管理模式,则将定时器加入到rt_soft_timer_list中
    if (timer->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER)
    {
    /* insert timer to soft timer list */
    timer_list = &rt_soft_timer_list;
    }
    else
    #endif
    {
    /* insert timer to system timer list */
    timer_list = &rt_timer_list;
    }
    for (n = timer_list->next; n != timer_list; n = n->next)//将定时器按序加入到定时器链表中
    {
    t = rt_list_entry(n, struct rt_timer, list);
    /*
    * It supposes that the new tick shall less than the half duration of
    * tick max.
    */
    if ((t->timeout_tick - timer->timeout_tick) < RT_TICK_MAX / 2)
    {
    rt_list_insert_before(n, &(timer->list));//将定时器timer插入到t之前
    break;
    }
    }
    /* no found suitable position in timer list */
    if (n == timer_list)//没有找到合适的位置,则放到链表头
    {
    rt_list_insert_before(n, &(timer->list));
    }
    timer->parent.flag |= RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;//置定时器为激活状态
    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(level);
    #ifdef RT_USING_TIMER_SOFT
    if (timer->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER)//如果系统采用的是软件定时器管理模式,且软件定时器线程处理ready状态,则恢复此线程
    {
    /* check whether timer thread is ready */
    if (timer_thread.stat != RT_THREAD_READY)
    {
    /* resume timer thread to check soft timer */
    rt_thread_resume(&timer_thread);//恢复定时器线程
    rt_schedule();//开始线程调度
    }
    }
    #endif
    return -RT_EOK;
    }

软件定时器管理模式的源码分析完了,接下来介绍RTT的硬件定时器管理模式。

3.3 RTT的硬件定时器管理模式

硬件定时器管理模式顾名思义,就是说与硬件相关,因此,不用的MCU,其部分源码是不一样的,因为其要采用MCU的系统时钟中断例程来实现。

以STM32F2XX为例,先找到其启动汇编,位置在:RTT/bsp/stm32f2xx/Libraries/CMSIS/CM3/DeviceSupport/ST/STM32F2xx/startup/arm/startup_stm32f2xx.s

找到中断向量:

    DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

这是系统时钟中断向量,再找到其中断例程实现:

在bsp/stm32f2xx/drivers/board.c文件中:

    /**
    * This is the timer interrupt service routine.
    *
    */
    void SysTick_Handler(void)//系统时钟中断例程
    {
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();
    rt_tick_increase();
    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();
    }

其中rt_tick_increase函数在RTT/src/clock.c文件中的实现如下:

    /**
    * This function will notify kernel there is one tick passed. Normally,
    * this function is invoked by clock ISR.
    */
    void rt_tick_increase(void)
    {
    struct rt_thread *thread;
    /* increase the global tick */
    ++ rt_tick;//全局rt_tick加1
    /* check time slice */
    thread = rt_thread_self();//得到当前正在运行的线程
    -- thread->remaining_tick;//纯种剩下时间减1
    if (thread->remaining_tick == 0)//如果线程剩余时间为0,即调度时间已到
    {
    /* change to initialized tick */
    thread->remaining_tick = thread->init_tick;//将线程剩余时间重新设置初始化值
    /* yield */
    rt_thread_yield();//调度时间到,切换到其它线程
    }
    /* check timer */
    rt_timer_check();//检查硬件定时器链表是否有定时器产生超时事件
    }

其中rt_timer_check函数在RTT/src/timer.c文件中如下定义:

    /**
    * This function will check timer list, if a timeout event happens, the
    * corresponding timeout function will be invoked.
    *
    * @note this function shall be invoked in operating system timer interrupt.
    */
    void rt_timer_check(void)
    {
    struct rt_timer *t;
    rt_tick_t current_tick;
    register rt_base_t level;
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("timer check enter\n"));
    current_tick = rt_tick_get();
    /* disable interrupt */
    level = rt_hw_interrupt_disable();
    while (!rt_list_isempty(&rt_timer_list))
    {
    t = rt_list_entry(rt_timer_list.next, struct rt_timer, list);
    /*
    * It supposes that the new tick shall less than the half duration of
    * tick max.
    */
    if ((current_tick - t->timeout_tick) < RT_TICK_MAX/2)
    {
    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_timer_timeout_hook, (t));
    /* remove timer from timer list firstly */
    rt_list_remove(&(t->list));
    /* call timeout function */
    t->timeout_func(t->parameter);
    /* re-get tick */
    current_tick = rt_tick_get();
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("current tick: %d\n", current_tick));
    if ((t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_PERIODIC) &&
    (t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED))
    {
    /* start it */
    t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;
    rt_timer_start(t);
    }
    else
    {
    /* stop timer */
    t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;
    }
    }
    else
    break;
    }
    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(level);
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("timer check leave\n"));
    }

此函数与rt_soft_timer_check基本大致相同,只不过一个是查找硬件定时器链表rt_timer_list,一个是查找rt_soft_timer_list.

在此,硬件定时器管理模式基本上介绍完毕,接下来介绍一些定时器接口.

4 定时器接口

4.1 定时器初始化

静态初始化定义器

    /**
    * This function will initialize a timer, normally this function is used to
    * initialize a static timer object.
    *
    * @param timer the static timer object
    * @param name the name of timer
    * @param timeout the timeout function
    * @param parameter the parameter of timeout function
    * @param time the tick of timer
    * @param flag the flag of timer
    */
    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)
    {
    /* timer check */
    RT_ASSERT(timer != RT_NULL);
    /* timer object initialization */
    rt_object_init((rt_object_t)timer, RT_Object_Class_Timer, name);//初始化内核对象
    _rt_timer_init(timer, timeout, parameter, time, flag);
    }

_rt_timer_init函数如下定义:

    static void _rt_timer_init(rt_timer_t timer,
    void (*timeout)(void *parameter),
    void      *parameter,
    rt_tick_t  time,
    rt_uint8_t flag)
    {
    /* set flag */
    timer->parent.flag  = flag;//置flag
    /* set deactivated */
    timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;//初始化时,设置为非激活状态
    timer->timeout_func = timeout;//设置超时事件处理函数
    timer->parameter    = parameter;//超时事件处理函数的传入参数
    timer->timeout_tick = 0;//定时器的超时时间点初始化时为0
    timer->init_tick    = time;//置超时时间
    /* initialize timer list */
    rt_list_init(&(timer->list));//初始化本身节点
    }

动态创建定时器

    /**
    * This function will create a timer
    *
    * @param name the name of timer
    * @param timeout the timeout function
    * @param parameter the parameter of timeout function
    * @param time the tick of timer
    * @param flag the flag of timer
    *
    * @return the created timer object
    */
    rt_timer_t rt_timer_create(const char *name,
    void (*timeout)(void *parameter),
    void       *parameter,
    rt_tick_t   time,
    rt_uint8_t  flag)
    {
    struct rt_timer *timer;
    /* allocate a object */
    timer = (struct rt_timer *)rt_object_allocate(RT_Object_Class_Timer, name);//动态分配定时器内核对象
    if (timer == RT_NULL)
    {
    return RT_NULL;
    }
    _rt_timer_init(timer, timeout, parameter, time, flag);//调用上述的初始化接口
    return timer;
    }

4.2 脱离和删除

脱离:

    /**
    * This function will detach a timer from timer management.
    *
    * @param timer the static timer object
    *
    * @return the operation status, RT_EOK on OK; RT_ERROR on error
    */
    rt_err_t rt_timer_detach(rt_timer_t timer)
    {
    register rt_base_t level;
    /* timer check */
    RT_ASSERT(timer != RT_NULL);
    /* disable interrupt */
    level = rt_hw_interrupt_disable();//关中断
    /* remove it from timer list */
    rt_list_remove(&(timer->list));//从定时器链表中移除
    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(level);//开中断
    rt_object_detach((rt_object_t)timer);//脱离内核对象
    return -RT_EOK;
    }

删除动态创建的定时器

    /**
    * This function will delete a timer and release timer memory
    *
    * @param timer the timer to be deleted
    *
    * @return the operation status, RT_EOK on OK; RT_ERROR on error
    */
    rt_err_t rt_timer_delete(rt_timer_t timer)
    {
    register rt_base_t level;
    /* timer check */
    RT_ASSERT(timer != RT_NULL);
    /* disable interrupt */
    level = rt_hw_interrupt_disable();//关中断
    /* remove it from timer list */
    rt_list_remove(&(timer->list));//从定时器链表中移除
    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(level);//开中断
    rt_object_delete((rt_object_t)timer);//删除动态创建的定时器内核对象
    return -RT_EOK;
    }

4.3 启动定时器

    /**
    * This function will start the timer
    *
    * @param timer the timer to be started
    *
    * @return the operation status, RT_EOK on OK, -RT_ERROR on error
    */
    rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer)

此接口已在上面介绍软件定时器模式时已有分析,这里就不再重复了。

4.4 停止定时器

    /**
    * This function will stop the timer
    *
    * @param timer the timer to be stopped
    *
    * @return the operation status, RT_EOK on OK, -RT_ERROR on error
    */
    rt_err_t rt_timer_stop(rt_timer_t timer)
    {
    register rt_base_t level;
    /* timer check */
    RT_ASSERT(timer != RT_NULL);
    if (!(timer->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED))//如果定时器已经为非激活状态
    return -RT_ERROR;
    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_object_put_hook, (&(timer->parent)));//使用钩子函数
    /* disable interrupt */
    level = rt_hw_interrupt_disable();//关中断
    /* remove it from timer list */
    rt_list_remove(&(timer->list));//从定时器链表中移除
    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(level);//开中断
    /* change stat */
    timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;//置非激活状态
    return RT_EOK;
    }

4.5 控制

此接口是用来修改一个定时器的参数,如下代码:

    /**
    * This function will get or set some options of the timer
    *
    * @param timer the timer to be get or set
    * @param cmd the control command
    * @param arg the argument
    *
    * @return RT_EOK
    */
    rt_err_t rt_timer_control(rt_timer_t timer, rt_uint8_t cmd, void *arg)
    {
    /* timer check */
    RT_ASSERT(timer != RT_NULL);
    switch (cmd)
    {
    case RT_TIMER_CTRL_GET_TIME://获取时间参数
    *(rt_tick_t *)arg = timer->init_tick;
    break;
    case RT_TIMER_CTRL_SET_TIME://修改时间参数
    timer->init_tick = *(rt_tick_t *)arg;
    break;
    case RT_TIMER_CTRL_SET_ONESHOT://修改定时器模式为单次触发定时器
    timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_PERIODIC;
    break;
    case RT_TIMER_CTRL_SET_PERIODIC://修改定时器为周期触发定时器
    timer->parent.flag |= RT_TIMER_FLAG_PERIODIC;
    break;
    }
    return RT_EOK;
    }

完!

rt-thread的定时器管理源码分析的相关教程结束。

《rt-thread的定时器管理源码分析.doc》

下载本文的Word格式文档,以方便收藏与打印。