RT-Thread時(shí)鐘管理學(xué)習(xí)總結(jié)
[導(dǎo)讀]時(shí)間，不管在任何生活場(chǎng)合，都是一個(gè)非常重要概念。試想一下，假如沒有了時(shí)間，這個(gè)世界幾乎所有的事物都會(huì)亂套，但同時(shí)很多科學(xué)家也會(huì)提出疑問，在客觀世界里面，時(shí)間是真實(shí)存在的嗎？（扯得有點(diǎn)遠(yuǎn)~哈哈）回到正題，任何操作系統(tǒng)的運(yùn)行，都離不開時(shí)間。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要有一個(gè)界定標(biāo)準(zhǔn)，去規(guī)劃各種進(jìn)...
時(shí)間，不管在任何生活場(chǎng)合，都是一個(gè)非常重要概念。試想一下，假如沒有了時(shí)間，這個(gè)世界幾乎所有的事物都會(huì)亂套，但同時(shí)很多科學(xué)家也會(huì)提出疑問，在客觀世界里面，時(shí)間是真實(shí)存在的嗎？（扯得有點(diǎn)遠(yuǎn)~哈哈）
回到正題，任何操作系統(tǒng)的運(yùn)行，都離不開時(shí)間。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要有一個(gè)界定標(biāo)準(zhǔn)，去規(guī)劃各種進(jìn)程或線程的運(yùn)行，時(shí)間就是這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。操作系統(tǒng)通過時(shí)間的流逝，定期去檢查線程是否已經(jīng)達(dá)到調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)，定期去檢查是否有一些定時(shí)任務(wù)需要執(zhí)行，等等。
關(guān)于RT-Thread時(shí)鐘管理相關(guān)的內(nèi)容，官方提供了比較豐富的文檔作為參考，具體可以查看以下鏈接：https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/timer/timer/
本文嘗試從以下幾個(gè)方面總結(jié)一下RT-Thread時(shí)鐘管理的學(xué)習(xí)過程。時(shí)鐘相關(guān)的概念描述
?什么是時(shí)鐘節(jié)拍？任何操作系統(tǒng)都需要人為地提供一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，通常這個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍被稱為系統(tǒng)心跳，而且這個(gè)系統(tǒng)心跳是通過一個(gè)硬件定時(shí)器來周期性提供的。這個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍就好像我們生活里面的鐘表的秒針一樣，每過一秒，秒針活動(dòng)一格。
在操作系統(tǒng)里面，硬件定時(shí)器中斷一次，用來記錄時(shí)鐘節(jié)拍的全局變量（rt_tick）就會(huì)累加，這個(gè)變量只會(huì)增加而不會(huì)減少，因?yàn)闀r(shí)間總是往前流逝的。比如我們初始化硬件定時(shí)器為1毫秒中斷一次，那這個(gè) rt_tick 每過1毫秒就會(huì)加1。
如上圖所示，硬件定時(shí)器每1毫秒中斷一次，產(chǎn)生一個(gè)節(jié)拍。假如系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到在第8個(gè)節(jié)拍的時(shí)候，某個(gè)線程的時(shí)間片用完了，就會(huì)執(zhí)行一次線程調(diào)度；假如在第n 1個(gè)節(jié)拍的時(shí)候，監(jiān)測(cè)到某個(gè)定時(shí)器的時(shí)間到了，就會(huì)開始執(zhí)行這個(gè)定時(shí)器任務(wù)。
RT-Thread是如何實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍的？相信不少工程師都知道，Cortex-M系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)嘀嗒時(shí)鐘 systick 硬件定時(shí)器，RT-Thread 就是使用這個(gè) systick 時(shí)鐘來觸發(fā)定時(shí)器中斷，然后實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍的全局變量不斷自增。
定時(shí)器的管理機(jī)制
在單片機(jī)裸機(jī)編程的時(shí)候，通常都是使用硬件定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)硬件定時(shí)器的計(jì)數(shù)值滿足溢出條件后，就會(huì)觸發(fā)定時(shí)器中斷，然后我們?cè)诙〞r(shí)器中斷里面處理任務(wù)就可以了。
在RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里面，提供了一種軟件定時(shí)器機(jī)制，這種軟件定時(shí)器的定時(shí)長(zhǎng)度是以時(shí)鐘節(jié)拍為單位的，并且定時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度必須是時(shí)鐘節(jié)拍的整數(shù)倍。軟件定時(shí)器可以設(shè)置為單次觸發(fā)或周期觸發(fā)，也可以設(shè)置為HARD_TIMER模式或SOFT_TIMER模式。
定時(shí)器HARD_TIMER模式，這種模式下的定時(shí)器超時(shí)函數(shù)，需要在中斷的上下文環(huán)境下執(zhí)行，并且對(duì)于超時(shí)函數(shù)的要求與中斷服務(wù)函數(shù)的要求是一致的，也就是說，超時(shí)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間要足夠短，執(zhí)行時(shí)不能掛起線程，不能去申請(qǐng)或釋放動(dòng)態(tài)內(nèi)存。
定時(shí)器的SOFT_TIMER模式，這種模式相當(dāng)于啟動(dòng)了一個(gè)定時(shí)器線程，定時(shí)器的超時(shí)函數(shù)會(huì)在這個(gè)timer線程的上下文環(huán)境下執(zhí)行，該模式使用的時(shí)候，沒有HARD_TIMER模式那么復(fù)雜，因?yàn)檫@種模式其實(shí)就是一個(gè)定時(shí)器線程在進(jìn)行工作和調(diào)度。
RT-Thread的定時(shí)器模塊里面，維護(hù)了一個(gè)有序的定時(shí)器鏈表，這個(gè)鏈表是用來管理當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的定時(shí)器的，每次時(shí)鐘節(jié)拍中斷的時(shí)候，都會(huì)檢測(cè)這個(gè)定時(shí)器鏈表，看看是否有超時(shí)時(shí)間到達(dá)。RT-Thread官方對(duì)這個(gè)定時(shí)器鏈表的工作機(jī)制已經(jīng)做了詳細(xì)的描述，如下圖所示。
對(duì)于有序鏈表的搜索，是比較消耗時(shí)間的，所以為了加快鏈表的搜索速度，RT-Thread在原來有序鏈表的基礎(chǔ)上，加入了跳表算法，使用這種算法可以加快鏈表搜索元素的速度，提升搜索的效率，但跳表算法是一種用“空間換時(shí)間”的算法，會(huì)有一定的內(nèi)存消耗。
定時(shí)器相關(guān)的API函數(shù)
RT-Thread提供了一系列API函數(shù)接口，方便開發(fā)者對(duì)定時(shí)器進(jìn)行一系列操作，包括：：創(chuàng)建/初始化定時(shí)器、啟動(dòng)定時(shí)器、運(yùn)行定時(shí)器、刪除/脫離定時(shí)器。
所有定時(shí)器在定時(shí)超時(shí)后都會(huì)從定時(shí)器鏈表中被移除，而周期性定時(shí)器會(huì)在它再次啟動(dòng)時(shí)被加入定時(shí)器鏈表，這與定時(shí)器參數(shù)設(shè)置相關(guān)。在每次的操作系統(tǒng)時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，都會(huì)對(duì)已經(jīng)超時(shí)的定時(shí)器狀態(tài)參數(shù)做改變。定時(shí)器應(yīng)用示例
定時(shí)器相關(guān)的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證以上定時(shí)器相關(guān)的API函數(shù)接口，這里包含兩個(gè)定時(shí)器示例，分別是動(dòng)態(tài)定時(shí)器示例和靜態(tài)定時(shí)器示例。
示例源碼下載鏈接：https://github.com/embediot/rtthread_study_noteshttps://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes
動(dòng)態(tài)定時(shí)器示例和靜態(tài)定時(shí)器示例都是創(chuàng)建兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)定時(shí)器是單次觸發(fā)模式，一個(gè)定時(shí)器是周期性觸發(fā)模式。
在timer_test.h頭文件里面，通過打開相應(yīng)的宏定義開關(guān)，重新編譯工程源碼，下載到開發(fā)板即可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如下圖所示。
定時(shí)器使用的注意事項(xiàng)
RT-Thread定時(shí)器在使用的時(shí)候，為了確保定時(shí)器能正常運(yùn)行，應(yīng)該有以下注意事項(xiàng)：
1、應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍，時(shí)鐘節(jié)拍一般是1 – 100ms，時(shí)鐘節(jié)拍的數(shù)值越小，表示頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就會(huì)越大。
2、在系統(tǒng)節(jié)拍的中斷函數(shù)里面，會(huì)不斷檢查硬件定時(shí)器鏈表，如果有定時(shí)器超時(shí)時(shí)間到達(dá)，就會(huì)去處理相應(yīng)的超時(shí)任務(wù)，超時(shí)后就會(huì)從鏈表中移除這個(gè)定時(shí)器，對(duì)于周期性定時(shí)器，再次啟動(dòng)時(shí)會(huì)重新加入鏈表。
3、定時(shí)器鏈表的跳表算法，是用空間來換取時(shí)間的，所以要根據(jù)實(shí)際的硬件資源設(shè)置跳表的層數(shù)，表示跳表層數(shù)的宏定義RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL默認(rèn)為1。
4、RT-Thread的定時(shí)器精度，是由時(shí)鐘節(jié)拍來決定的，定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間必須是時(shí)鐘節(jié)拍的整數(shù)倍，在Cortex-M系列的單片機(jī)中，可以使用systick的工作機(jī)制來獲得一個(gè)低于時(shí)鐘節(jié)拍的延時(shí)。
5、低于時(shí)鐘節(jié)拍的高精度延時(shí)的示例函數(shù)，如下圖所示。
回到正題，任何操作系統(tǒng)的運(yùn)行，都離不開時(shí)間。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要有一個(gè)界定標(biāo)準(zhǔn)，去規(guī)劃各種進(jìn)程或線程的運(yùn)行，時(shí)間就是這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。操作系統(tǒng)通過時(shí)間的流逝，定期去檢查線程是否已經(jīng)達(dá)到調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)，定期去檢查是否有一些定時(shí)任務(wù)需要執(zhí)行，等等。
關(guān)于RT-Thread時(shí)鐘管理相關(guān)的內(nèi)容，官方提供了比較豐富的文檔作為參考，具體可以查看以下鏈接：https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/timer/timer/
本文嘗試從以下幾個(gè)方面總結(jié)一下RT-Thread時(shí)鐘管理的學(xué)習(xí)過程。時(shí)鐘相關(guān)的概念描述
?什么是時(shí)鐘節(jié)拍？任何操作系統(tǒng)都需要人為地提供一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，通常這個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍被稱為系統(tǒng)心跳，而且這個(gè)系統(tǒng)心跳是通過一個(gè)硬件定時(shí)器來周期性提供的。這個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍就好像我們生活里面的鐘表的秒針一樣，每過一秒，秒針活動(dòng)一格。
在操作系統(tǒng)里面，硬件定時(shí)器中斷一次，用來記錄時(shí)鐘節(jié)拍的全局變量（rt_tick）就會(huì)累加，這個(gè)變量只會(huì)增加而不會(huì)減少，因?yàn)闀r(shí)間總是往前流逝的。比如我們初始化硬件定時(shí)器為1毫秒中斷一次，那這個(gè) rt_tick 每過1毫秒就會(huì)加1。
如上圖所示，硬件定時(shí)器每1毫秒中斷一次，產(chǎn)生一個(gè)節(jié)拍。假如系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到在第8個(gè)節(jié)拍的時(shí)候，某個(gè)線程的時(shí)間片用完了，就會(huì)執(zhí)行一次線程調(diào)度；假如在第n 1個(gè)節(jié)拍的時(shí)候，監(jiān)測(cè)到某個(gè)定時(shí)器的時(shí)間到了，就會(huì)開始執(zhí)行這個(gè)定時(shí)器任務(wù)。
RT-Thread是如何實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍的？相信不少工程師都知道，Cortex-M系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)嘀嗒時(shí)鐘 systick 硬件定時(shí)器，RT-Thread 就是使用這個(gè) systick 時(shí)鐘來觸發(fā)定時(shí)器中斷，然后實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍的全局變量不斷自增。
定時(shí)器的管理機(jī)制
在單片機(jī)裸機(jī)編程的時(shí)候，通常都是使用硬件定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)硬件定時(shí)器的計(jì)數(shù)值滿足溢出條件后，就會(huì)觸發(fā)定時(shí)器中斷，然后我們?cè)诙〞r(shí)器中斷里面處理任務(wù)就可以了。
在RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里面，提供了一種軟件定時(shí)器機(jī)制，這種軟件定時(shí)器的定時(shí)長(zhǎng)度是以時(shí)鐘節(jié)拍為單位的，并且定時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度必須是時(shí)鐘節(jié)拍的整數(shù)倍。軟件定時(shí)器可以設(shè)置為單次觸發(fā)或周期觸發(fā)，也可以設(shè)置為HARD_TIMER模式或SOFT_TIMER模式。
定時(shí)器HARD_TIMER模式，這種模式下的定時(shí)器超時(shí)函數(shù)，需要在中斷的上下文環(huán)境下執(zhí)行，并且對(duì)于超時(shí)函數(shù)的要求與中斷服務(wù)函數(shù)的要求是一致的，也就是說，超時(shí)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間要足夠短，執(zhí)行時(shí)不能掛起線程，不能去申請(qǐng)或釋放動(dòng)態(tài)內(nèi)存。
定時(shí)器的SOFT_TIMER模式，這種模式相當(dāng)于啟動(dòng)了一個(gè)定時(shí)器線程，定時(shí)器的超時(shí)函數(shù)會(huì)在這個(gè)timer線程的上下文環(huán)境下執(zhí)行，該模式使用的時(shí)候，沒有HARD_TIMER模式那么復(fù)雜，因?yàn)檫@種模式其實(shí)就是一個(gè)定時(shí)器線程在進(jìn)行工作和調(diào)度。
RT-Thread的定時(shí)器模塊里面，維護(hù)了一個(gè)有序的定時(shí)器鏈表，這個(gè)鏈表是用來管理當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的定時(shí)器的，每次時(shí)鐘節(jié)拍中斷的時(shí)候，都會(huì)檢測(cè)這個(gè)定時(shí)器鏈表，看看是否有超時(shí)時(shí)間到達(dá)。RT-Thread官方對(duì)這個(gè)定時(shí)器鏈表的工作機(jī)制已經(jīng)做了詳細(xì)的描述，如下圖所示。
對(duì)于有序鏈表的搜索，是比較消耗時(shí)間的，所以為了加快鏈表的搜索速度，RT-Thread在原來有序鏈表的基礎(chǔ)上，加入了跳表算法，使用這種算法可以加快鏈表搜索元素的速度，提升搜索的效率，但跳表算法是一種用“空間換時(shí)間”的算法，會(huì)有一定的內(nèi)存消耗。
定時(shí)器相關(guān)的API函數(shù)
RT-Thread提供了一系列API函數(shù)接口，方便開發(fā)者對(duì)定時(shí)器進(jìn)行一系列操作，包括：：創(chuàng)建/初始化定時(shí)器、啟動(dòng)定時(shí)器、運(yùn)行定時(shí)器、刪除/脫離定時(shí)器。
所有定時(shí)器在定時(shí)超時(shí)后都會(huì)從定時(shí)器鏈表中被移除，而周期性定時(shí)器會(huì)在它再次啟動(dòng)時(shí)被加入定時(shí)器鏈表，這與定時(shí)器參數(shù)設(shè)置相關(guān)。在每次的操作系統(tǒng)時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，都會(huì)對(duì)已經(jīng)超時(shí)的定時(shí)器狀態(tài)參數(shù)做改變。定時(shí)器應(yīng)用示例
定時(shí)器相關(guān)的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證以上定時(shí)器相關(guān)的API函數(shù)接口，這里包含兩個(gè)定時(shí)器示例，分別是動(dòng)態(tài)定時(shí)器示例和靜態(tài)定時(shí)器示例。
示例源碼下載鏈接：https://github.com/embediot/rtthread_study_noteshttps://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes
動(dòng)態(tài)定時(shí)器示例和靜態(tài)定時(shí)器示例都是創(chuàng)建兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)定時(shí)器是單次觸發(fā)模式，一個(gè)定時(shí)器是周期性觸發(fā)模式。
在timer_test.h頭文件里面，通過打開相應(yīng)的宏定義開關(guān)，重新編譯工程源碼，下載到開發(fā)板即可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如下圖所示。
定時(shí)器使用的注意事項(xiàng)
RT-Thread定時(shí)器在使用的時(shí)候，為了確保定時(shí)器能正常運(yùn)行，應(yīng)該有以下注意事項(xiàng)：
1、應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍，時(shí)鐘節(jié)拍一般是1 – 100ms，時(shí)鐘節(jié)拍的數(shù)值越小，表示頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就會(huì)越大。
2、在系統(tǒng)節(jié)拍的中斷函數(shù)里面，會(huì)不斷檢查硬件定時(shí)器鏈表，如果有定時(shí)器超時(shí)時(shí)間到達(dá)，就會(huì)去處理相應(yīng)的超時(shí)任務(wù)，超時(shí)后就會(huì)從鏈表中移除這個(gè)定時(shí)器，對(duì)于周期性定時(shí)器，再次啟動(dòng)時(shí)會(huì)重新加入鏈表。
3、定時(shí)器鏈表的跳表算法，是用空間來換取時(shí)間的，所以要根據(jù)實(shí)際的硬件資源設(shè)置跳表的層數(shù)，表示跳表層數(shù)的宏定義RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL默認(rèn)為1。
4、RT-Thread的定時(shí)器精度，是由時(shí)鐘節(jié)拍來決定的，定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間必須是時(shí)鐘節(jié)拍的整數(shù)倍，在Cortex-M系列的單片機(jī)中，可以使用systick的工作機(jī)制來獲得一個(gè)低于時(shí)鐘節(jié)拍的延時(shí)。
5、低于時(shí)鐘節(jié)拍的高精度延時(shí)的示例函數(shù)，如下圖所示。
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