RT-Thread時鐘管理學(xué)習(xí)總結(jié)
[導(dǎo)讀]時間，不管在任何生活場合，都是一個非常重要概念。試想一下，假如沒有了時間，這個世界幾乎所有的事物都會亂套，但同時很多科學(xué)家也會提出疑問，在客觀世界里面，時間是真實(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，都離不開時間。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要有一個界定標(biāo)準(zhǔn)，去規(guī)劃各種進(jìn)...
時間，不管在任何生活場合，都是一個非常重要概念。試想一下，假如沒有了時間，這個世界幾乎所有的事物都會亂套，但同時很多科學(xué)家也會提出疑問，在客觀世界里面，時間是真實(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，都離不開時間。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要有一個界定標(biāo)準(zhǔn)，去規(guī)劃各種進(jìn)程或線程的運(yùn)行，時間就是這個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。操作系統(tǒng)通過時間的流逝，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任務(wù)需要執(zhí)行，等等。
關(guān)于RT-Thread時鐘管理相關(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方面總結(jié)一下RT-Thread時鐘管理的學(xué)習(xí)過程。時鐘相關(guān)的概念描述
?什么是時鐘節(jié)拍？任何操作系統(tǒng)都需要人為地提供一個時鐘節(jié)拍，通常這個時鐘節(jié)拍被稱為系統(tǒng)心跳，而且這個系統(tǒng)心跳是通過一個硬件定時器來周期性提供的。這個時鐘節(jié)拍就好像我們生活里面的鐘表的秒針一樣，每過一秒，秒針活動一格。
在操作系統(tǒng)里面，硬件定時器中斷一次，用來記錄時鐘節(jié)拍的全局變量（rt_tick）就會累加，這個變量只會增加而不會減少，因?yàn)闀r間總是往前流逝的。比如我們初始化硬件定時器為1毫秒中斷一次，那這個 rt_tick 每過1毫秒就會加1。
如上圖所示，硬件定時器每1毫秒中斷一次，產(chǎn)生一個節(jié)拍。假如系統(tǒng)監(jiān)測到在第8個節(jié)拍的時候，某個線程的時間片用完了，就會執(zhí)行一次線程調(diào)度；假如在第n 1個節(jié)拍的時候，監(jiān)測到某個定時器的時間到了，就會開始執(zhí)行這個定時器任務(wù)。
RT-Thread是如何實(shí)現(xiàn)時鐘節(jié)拍的？相信不少工程師都知道，Cortex-M系列單片機(jī)內(nèi)部有一個嘀嗒時鐘 systick 硬件定時器，RT-Thread 就是使用這個 systick 時鐘來觸發(fā)定時器中斷，然后實(shí)現(xiàn)時鐘節(jié)拍的全局變量不斷自增。
定時器的管理機(jī)制
在單片機(jī)裸機(jī)編程的時候，通常都是使用硬件定時器進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)硬件定時器的計數(shù)值滿足溢出條件后，就會觸發(fā)定時器中斷，然后我們在定時器中斷里面處理任務(wù)就可以了。
在RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)里面，提供了一種軟件定時器機(jī)制，這種軟件定時器的定時長度是以時鐘節(jié)拍為單位的，并且定時的時間長度必須是時鐘節(jié)拍的整數(shù)倍。軟件定時器可以設(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。
定時器HARD_TIMER模式，這種模式下的定時器超時函數(shù)，需要在中斷的上下文環(huán)境下執(zhí)行，并且對于超時函數(shù)的要求與中斷服務(wù)函數(shù)的要求是一致的，也就是說，超時函數(shù)的執(zhí)行時間要足夠短，執(zhí)行時不能掛起線程，不能去申請或釋放動態(tài)內(nèi)存。
定時器的SOFT_TIMER模式，這種模式相當(dāng)于啟動了一個定時器線程，定時器的超時函數(shù)會在這個timer線程的上下文環(huán)境下執(zhí)行，該模式使用的時候，沒有HARD_TIMER模式那么復(fù)雜，因?yàn)檫@種模式其實(shí)就是一個定時器線程在進(jìn)行工作和調(diào)度。
RT-Thread的定時器模塊里面，維護(hù)了一個有序的定時器鏈表，這個鏈表是用來管理當(dāng)前處于活動狀態(tài)的定時器的，每次時鐘節(jié)拍中斷的時候，都會檢測這個定時器鏈表，看看是否有超時時間到達(dá)。RT-Thread官方對這個定時器鏈表的工作機(jī)制已經(jīng)做了詳細(xì)的描述，如下圖所示。
對于有序鏈表的搜索，是比較消耗時間的，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“空間換時間”的算法，會有一定的內(nèi)存消耗。
定時器相關(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)者對定時器進(jìn)行一系列操作，包括：：創(chuàng)建/初始化定時器、啟動定時器、運(yùn)行定時器、刪除/脫離定時器。
所有定時器在定時超時后都會從定時器鏈表中被移除，而周期性定時器會在它再次啟動時被加入定時器鏈表，這與定時器參數(shù)設(shè)置相關(guān)。在每次的操作系統(tǒng)時鐘中斷發(fā)生時，都會對已經(jīng)超時的定時器狀態(tài)參數(shù)做改變。定時器應(yīng)用示例
定時器相關(guān)的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證以上定時器相關(guān)的API函數(shù)接口，這里包含兩個定時器示例，分別是動態(tài)定時器示例和靜態(tài)定時器示例。
示例源碼下載鏈接：https://github.com/embediot/rtthread_study_noteshttps://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes
動態(tài)定時器示例和靜態(tài)定時器示例都是創(chuàng)建兩個定時器，一個定時器是單次觸發(fā)模式，一個定時器是周期性觸發(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。
定時器使用的注意事項(xiàng)
RT-Thread定時器在使用的時候，為了確保定時器能正常運(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)用場合，設(shè)置系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍，時鐘節(jié)拍一般是1 – 100ms，時鐘節(jié)拍的數(shù)值越小，表示頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就會越大。
2、在系統(tǒng)節(jié)拍的中斷函數(shù)里面，會不斷檢查硬件定時器鏈表，如果有定時器超時時間到達(dá)，就會去處理相應(yīng)的超時任務(wù)，超時后就會從鏈表中移除這個定時器，對于周期性定時器，再次啟動時會重新加入鏈表。
3、定時器鏈表的跳表算法，是用空間來換取時間的，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的定時器精度，是由時鐘節(jié)拍來決定的，定時器的超時時間必須是時鐘節(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)制來獲得一個低于時鐘節(jié)拍的延時。
5、低于時鐘節(jié)拍的高精度延時的示例函數(shù)，如下圖所示。
回到正題，任何操作系統(tǒng)的運(yùn)行，都離不開時間。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要有一個界定標(biāo)準(zhǔn)，去規(guī)劃各種進(jìn)程或線程的運(yùn)行，時間就是這個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。操作系統(tǒng)通過時間的流逝，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任務(wù)需要執(zhí)行，等等。
關(guān)于RT-Thread時鐘管理相關(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方面總結(jié)一下RT-Thread時鐘管理的學(xué)習(xí)過程。時鐘相關(guān)的概念描述
?什么是時鐘節(jié)拍？任何操作系統(tǒng)都需要人為地提供一個時鐘節(jié)拍，通常這個時鐘節(jié)拍被稱為系統(tǒng)心跳，而且這個系統(tǒng)心跳是通過一個硬件定時器來周期性提供的。這個時鐘節(jié)拍就好像我們生活里面的鐘表的秒針一樣，每過一秒，秒針活動一格。
在操作系統(tǒng)里面，硬件定時器中斷一次，用來記錄時鐘節(jié)拍的全局變量（rt_tick）就會累加，這個變量只會增加而不會減少，因?yàn)闀r間總是往前流逝的。比如我們初始化硬件定時器為1毫秒中斷一次，那這個 rt_tick 每過1毫秒就會加1。
如上圖所示，硬件定時器每1毫秒中斷一次，產(chǎn)生一個節(jié)拍。假如系統(tǒng)監(jiān)測到在第8個節(jié)拍的時候，某個線程的時間片用完了，就會執(zhí)行一次線程調(diào)度；假如在第n 1個節(jié)拍的時候，監(jiān)測到某個定時器的時間到了，就會開始執(zhí)行這個定時器任務(wù)。
RT-Thread是如何實(shí)現(xiàn)時鐘節(jié)拍的？相信不少工程師都知道，Cortex-M系列單片機(jī)內(nèi)部有一個嘀嗒時鐘 systick 硬件定時器，RT-Thread 就是使用這個 systick 時鐘來觸發(fā)定時器中斷，然后實(shí)現(xiàn)時鐘節(jié)拍的全局變量不斷自增。
定時器的管理機(jī)制
在單片機(jī)裸機(jī)編程的時候，通常都是使用硬件定時器進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)硬件定時器的計數(shù)值滿足溢出條件后，就會觸發(fā)定時器中斷，然后我們在定時器中斷里面處理任務(wù)就可以了。
在RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)里面，提供了一種軟件定時器機(jī)制，這種軟件定時器的定時長度是以時鐘節(jié)拍為單位的，并且定時的時間長度必須是時鐘節(jié)拍的整數(shù)倍。軟件定時器可以設(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。
定時器HARD_TIMER模式，這種模式下的定時器超時函數(shù)，需要在中斷的上下文環(huán)境下執(zhí)行，并且對于超時函數(shù)的要求與中斷服務(wù)函數(shù)的要求是一致的，也就是說，超時函數(shù)的執(zhí)行時間要足夠短，執(zhí)行時不能掛起線程，不能去申請或釋放動態(tài)內(nèi)存。
定時器的SOFT_TIMER模式，這種模式相當(dāng)于啟動了一個定時器線程，定時器的超時函數(shù)會在這個timer線程的上下文環(huán)境下執(zhí)行，該模式使用的時候，沒有HARD_TIMER模式那么復(fù)雜，因?yàn)檫@種模式其實(shí)就是一個定時器線程在進(jìn)行工作和調(diào)度。
RT-Thread的定時器模塊里面，維護(hù)了一個有序的定時器鏈表，這個鏈表是用來管理當(dāng)前處于活動狀態(tài)的定時器的，每次時鐘節(jié)拍中斷的時候，都會檢測這個定時器鏈表，看看是否有超時時間到達(dá)。RT-Thread官方對這個定時器鏈表的工作機(jī)制已經(jīng)做了詳細(xì)的描述，如下圖所示。
對于有序鏈表的搜索，是比較消耗時間的，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“空間換時間”的算法，會有一定的內(nèi)存消耗。
定時器相關(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)者對定時器進(jìn)行一系列操作，包括：：創(chuàng)建/初始化定時器、啟動定時器、運(yùn)行定時器、刪除/脫離定時器。
所有定時器在定時超時后都會從定時器鏈表中被移除，而周期性定時器會在它再次啟動時被加入定時器鏈表，這與定時器參數(shù)設(shè)置相關(guān)。在每次的操作系統(tǒng)時鐘中斷發(fā)生時，都會對已經(jīng)超時的定時器狀態(tài)參數(shù)做改變。定時器應(yīng)用示例
定時器相關(guān)的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證以上定時器相關(guān)的API函數(shù)接口，這里包含兩個定時器示例，分別是動態(tài)定時器示例和靜態(tài)定時器示例。
示例源碼下載鏈接：https://github.com/embediot/rtthread_study_noteshttps://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes
動態(tài)定時器示例和靜態(tài)定時器示例都是創(chuàng)建兩個定時器，一個定時器是單次觸發(fā)模式，一個定時器是周期性觸發(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。
定時器使用的注意事項(xiàng)
RT-Thread定時器在使用的時候，為了確保定時器能正常運(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)用場合，設(shè)置系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍，時鐘節(jié)拍一般是1 – 100ms，時鐘節(jié)拍的數(shù)值越小，表示頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就會越大。
2、在系統(tǒng)節(jié)拍的中斷函數(shù)里面，會不斷檢查硬件定時器鏈表，如果有定時器超時時間到達(dá)，就會去處理相應(yīng)的超時任務(wù)，超時后就會從鏈表中移除這個定時器，對于周期性定時器，再次啟動時會重新加入鏈表。
3、定時器鏈表的跳表算法，是用空間來換取時間的，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的定時器精度，是由時鐘節(jié)拍來決定的，定時器的超時時間必須是時鐘節(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)制來獲得一個低于時鐘節(jié)拍的延時。
5、低于時鐘節(jié)拍的高精度延時的示例函數(shù)，如下圖所示。
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