FreeRTOS 软定时器实现

原文地址：http://blog.csdn.net/qq_18150497/article/details/52874310

简述

考虑平台硬件定时器个数限制的， FreeRTOS 通过一个 Daemon 任务（启动调度器时自动创建）管理软定时器， 满足用户定时需求. Daemon 任务会在其执行期间检查用户启动的时间周期溢出的定时器，并调用其回调函数。

对于硬件定时器的中断服务程序， 我们知道不应该在里面执行复杂，可能导致阻塞的工作，相应的， 虽然软定时器实际是在定时Daemon 任务中执行，但是阻塞的话会导致其他定时器调用被延时， 所以实际使用也应该避免。

软定时器是通过一个任务来辅助实现，该功能时刻裁剪的 ， 只有设置

FreeRTOSConfig.h

中

configUSE_TIMERS
== 1

将相关代码编译进来, 才能正常使用相关功能。

分析的源码版本是 v9.0.0

使用定时器

开始先介绍下如何在自己的工程中使用 FreeRTOS 的软件定时器。

[title2]配置定时器服务任务[/title2]

程序中需要使用到软件定时器， 需要先在

FreeRTOSConfig.h

中正确配置如下宏 ：

* configUSE_TIMERS

是否编译定时器相关代码， 如需要使用定时器， 设置为 1

* configTIMER_TASK_PRIORITY

设置定时器Daemon 任务优先级， 如果优先级太低， 可能导致定时器无法及时执行

* configTIMER_QUEUE_LENGTH

设置定时器Daemon 任务的命令队列深度， 设置定时器都是通过发送消息到该队列实现的。

* configTIMER_TASK_STACK_DEPTH

设置定时器Daemon 任务的栈大小

[title2]创建 启动 停止定时器[/title2]

如下示例代码所示

TimerHandle_t xTimerUser; // 定义句柄

// 定时器回调函数格式
void vTimerCallback( TimerHandle_t xTimer )
{
// do something no block
// 获取溢出次数
static uin32_t ulCount = ( uint32_t ) pvTimerGetTimerID( xTimer );
// 累积溢出次数
++ulCount;
// 更新溢出次数
vTimerSetTimerID( xTimer, ( void * ) ulCount );

if （ulCount == 10） {
// 停止定时器
xTimerStop( xTimer, 0 );
}
}

void fun()
{
// 申请定时器， 配置
xTimerUser = xTimerCreate
/*调试用， 系统不用*/
("Timer's name",
/*定时溢出周期， 单位是任务节拍数*/
100,
/*是否自动重载， 此处设置周期性执行*/
pdTRUE,
/*记录定时器溢出次数， 初始化零, 用户自己设置*/
( void * ) 0,
/*回调函数*/
vTimerCallback);

if( xTimerUser ！= NULL ) {
// 启动定时器， 0 表示不阻塞
xTimerStart( xTimerUser, 0 );
}
}

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如上所示， 调用函数

xTimerCreate

申请，配置定时器， 通过

xTimerStart

启动定时器，
当定时器计数溢出时， 系统回调注册的函数。

定时器可以设置为一次性 One-shot 或者自动重载 Auto-reload 两种， 第一种溢出后停止定时器， 第二种溢出后会再次启动定时器。

[title2]修改定时器[/title2]

在申请定时器的时候设置的定时器周期， 可以通过函数

xTimerChangePeriod

修改， 如下示例 ：

void vAFunction_2( TimerHandle_t xTimer )
{
// 判断定时器是否处于运行状态
if( xTimerIsTimerActive( xTimer ) != pdFALSE )
{
/* xTimer is active, do something. */
}
else
{
// 处于这个状态的定时器， 可能由于 ：
// 1 定时器 create 后没有start
// 2 一次性定时器执行溢出后

// 修改定时器周期
if( xTimerChangePeriod( xTimer,
/*修改定时周期*/
500 / portTICK_PERIOD_MS,
/*允许阻塞最大时间 100 ticks*/
100 ) == pdPASS )
{
// update fail
// 阻塞 100 tick 仍然无法发送命令

// 删除定时器 释放对应内存！
xTimerDelete( xTimer );
}
else
{
// 定时器配置更新成功， 并已经启动 ！！
}
}
}

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如上， 该函数会修改定时器并使定时器 开始运行！！！

另外， 可以通过函数

xTimerReset

重启定时器， 如果已经启动计数， 重新开始计数; 如果没有启动，启动定时器。

定时器使用系统提供 API，涉及 Queue 操作， 如果是在中断程序中调用，需要调用对应带

FromISR

的接口。

[title2]获取定时器状态[/title2]

其他获取定时器信息的函数

// 获取名称 ， 申请是设置的字符串
pcTimerGetName()
// 定时器溢出周期
xTimerGetPeriod()
// 返回定时器溢出的时间点 （--> xTaskGetTickCount()）
xTimerGetExpiryTime()

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定时器实现

FreeRTOS 软定时器的实现在源码目录 Source/include/timers.h, 涉及 链表 和
消息队列(后续文章分析)。

[title2]数据结构[/title2]

使用定时器前，需要先申请定时器， 见 配置定时器服务任务 中， 通过函数

xTimerCreate

获取一个定时器，
实际上是向系统申请了一块内存存储定时器控制块的数据结构, 并将参数填写到该结构体中。

定时器控制块

typedef struct tmrTimerControl
{
// 定时器名 方便调试
const char *pcTimerName;
// 链表项 用于插入定时链表
ListItem_t xTimerListItem;
// 定时器中断周期
TickType_t xTimerPeriodInTicks;
// 是否自动重置， 如果 =pdFalse 为一次性
UBaseType_t uxAutoReload;
// 溢出计数 需自己设置
void *pvTimerID;
// 定时器溢出回调函数
TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction;
#if( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
UBaseType_t uxTimerNumber;
#endif
#if( ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) &&
( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) )
// 标记定时器使用的内存， 删除时判断是否需要释放内存
uint8_t ucStaticallyAllocated;  #endif
} xTIMER;

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成功申请定时器后， 定时器并没有开始工作， 需要调用函数将该定时器中的

xTimerListItem

插入到定时器管理链表中， Daemon 任务才能在该定时器设定的溢出时刻调用其回调函数。

定时器管理链表

timers.c

中定义了如下几个链表变量用于管理定时器， 定时器根据其溢出时刻从小到大插入链表进行管理。

使用两个链表是为了应对系统 TickCount 溢出的问题，在 FreeRTOS 任务调度 系统节拍 介绍过。

PRIVILEGED_DATA static List_t xActiveTimerList1;
PRIVILEGED_DATA static List_t xActiveTimerList2;
// 当前节拍计数器对应的定时器管理链表指针
PRIVILEGED_DATA static List_t *pxCurrentTimerList;
// 溢出时间到了下一个节拍计数阶段(当前节拍计数器溢出后)的定时器管理链表指针
PRIVILEGED_DATA static List_t *pxOverflowTimerList;

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命令队列

文章开头提到的使用定时器的函数， 大部分都带有一个参数，用于设置调用后允许阻塞的最大时间， 原因是， 这些函数并没有直接操作定时器管理链表， 而是向定时器Daemon 任务的消息队列

xTimerQueue

发送消息命令。 之后， 定时器Daemon 任务会从消息队列取出消息并响应操作。

命令格式
命令类型

[title2]定时器服务任务[/title2]

此处，从系统启动的定时器Daemon 任务展开分析 FreeRTOS 的软定时器的实现 。

该任务主体的执行流程如下所示 ：



永久循环部分的代码 :

for( ;; )
{
// 读取定时器队列第一个链表项的值 -> 即将溢出的定时器时间（ticks）
// 如果链表空， 返回的是 0
xNextExpireTime = prvGetNextExpireTime( &xListWasEmpty );

// 处理溢出的定时器
// 阻塞直到下一个定时器溢出 或 消息队列有新命令
prvProcessTimerOrBlockTask( xNextExpireTime, xListWasEmpty );

// 读取消息队列，执行命令
prvProcessReceivedCommands();
}

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回调定时器

定时器任务中， 取出下一个定时器溢出的时间，并把它传递给函数

prvProcessTimerOrBlockTask

， 该函数负责处理溢出定时器， 应对节拍计数器溢出问题等， 并设置合适的时间阻塞 Daemon 任务， 让出 CPU 使用权直到下一个定时器溢出或者接收到新的命令。

static void prvProcessTimerOrBlockTask(
const TickType_t xNextExpireTime,
BaseType_t xListWasEmpty )
{
TickType_t xTimeNow;
BaseType_t xTimerListsWereSwitched;
// 挂起调度器 避免任务切换
vTaskSuspendAll();
{
// 判断系统节拍计数是否溢出
// 如果是，处理溢出定时器， 并切换定时器链表
xTimeNow = prvSampleTimeNow( &xTimerListsWereSwitched );

// 系统节拍计数器没有溢出
if( xTimerListsWereSwitched == pdFALSE )
{
// 判断是否有定时器溢出
if( ( xListWasEmpty == pdFALSE ) && ( xNextExpireTime <= xTimeNow ) )
{
// 恢复调度
( void ) xTaskResumeAll();
//执行相应定时器的回调函数
// 对于需要自动重载的定时器， 更新下一次溢出时间， 插回链表
prvProcessExpiredTimer( xNextExpireTime, xTimeNow );
}
else
{
// 当前链表没有定时器
if( xListWasEmpty != pdFALSE )
{
// 判断溢出链表上是否有定时器
xListWasEmpty = listLIST_IS_EMPTY( pxOverflowTimerList );
}
// 阻塞挂起直到 ： 下一个定时器溢出 或 新命令消息
// 下面这个queue函数是内核专用， 调用后不会直接阻塞，但是会把任务加入到阻塞链表中
vQueueWaitForMessageRestricted( xTimerQueue,
( xNextExpireTime - xTimeNow ), /*转换阻塞时间*/
xListWasEmpty );

if( xTaskResumeAll() == pdFALSE )
{
// 触发任务切换
portYIELD_WITHIN_API();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
}
else
{
// 恢复调度
( void ) xTaskResumeAll();
}
}
}

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处理节拍计数器溢出

上面提到， 通过函数

prvSampleTimeNow

判断节拍计数器是否发发生溢出， 并执行相应处理， 此处看看该函数内容 ：

static TickType_t prvSampleTimeNow( BaseType_t * const pxTimerListsWereSwitched )
{
TickType_t xTimeNow;
// 静态变量 记录上一次调用时系统节拍值
PRIVILEGED_DATA static TickType_t xLastTime = ( TickType_t ) 0U;
// 获取本次调用节拍结束器值
xTimeNow = xTaskGetTickCount();

// 判断节拍计数器是否溢出过
// 比如 8bit : 0xFF+1 -> 0
if( xTimeNow < xLastTime )
{
// 发生溢出， 处理当前链表上所有定时器并切换管理链表
prvSwitchTimerLists();
*pxTimerListsWereSwitched = pdTRUE;
}
else
{
*pxTimerListsWereSwitched = pdFALSE;
}
// 更新记录
xLastTime = xTimeNow;
return xTimeNow;
}

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可以看到， 该函数每次调用都会记录节拍值， 下一次调用，通过比较相邻两次调用的值判断节拍计数器是否溢出过。

当节拍计数器溢出， 需要处理掉当前链表上的定时器（应为这条链表上的定时器都已经溢出了）， 然后切换链表。

对于处理这部分任务的函数， 主要要注意其对于需要重载的定时器的处理 ：

类比一下 ， 一个自动重载的定时器， 每月需要执行一次， 上次调用是2016 年6月， 之后由于优先级问题，导致下一次调用时间等到第二年2017年 1月了，也就是跨年了（节拍计数器溢出了）， 切换日历（链表）前， 需要把旧的先处理掉， 那么实际该定时器在2016年 7～ 12月每月都需要执行一次，所以要补偿回来，直到第二年1月， 才发送消息，插到新日历里面（链表）。

即使时间延迟了，但是该调用几次，是保证的！！

static void prvSwitchTimerLists( void )
{
TickType_t xNextExpireTime, xReloadTime;
List_t *pxTemp;
Timer_t *pxTimer;
BaseType_t xResult;

// 切换链表前， 需要先处理当前链表上的所有执行定时器
while( listLIST_IS_EMPTY( pxCurrentTimerList ) == pdFALSE )
{
// 获取第一个定时器溢出时间
xNextExpireTime = listGET_ITEM_VALUE_OF_HEAD_ENTRY( pxCurrentTimerList );
// 取出定时器并从链表移除
pxTimer = ( Timer_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxCurrentTimerList );
( void ) uxListRemove( &( pxTimer->xTimerListItem ) );
traceTIMER_EXPIRED( pxTimer );
// 执行定时器回调函数
pxTimer->pxCallbackFunction( ( TimerHandle_t ) pxTimer );

// 对于自动重载的定时器 计算下一次溢出时间
if( pxTimer->uxAutoReload == ( UBaseType_t ) pdTRUE )
{
// 如果重载后定时器的时间没有溢出， 还在当前链表范围内， 继续插回到当前链表
// 保证执行的次数
xReloadTime = ( xNextExpireTime + pxTimer->xTimerPeriodInTicks );
if( xReloadTime > xNextExpireTime )
{
// 设置下一次溢出时间
listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTimer->xTimerListItem ), xReloadTime );
listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxTimer->xTimerListItem ), pxTimer );
vListInsert( pxCurrentTimerList, &( pxTimer->xTimerListItem ) );
}
else
{
// 重载后定时器的时间同节拍计数器一样溢出了
// 需要插入到新的链表中， 通过消息发送
// 等到处理消息时，链表已经切换了
xResult = xTimerGenericCommand(
pxTimer,
tmrCOMMAND_START_DONT_TRACE,
xNextExpireTime,
NULL,
tmrNO_DELAY );

configASSERT( xResult );
( void ) xResult;
}
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}

// 切换链表
pxTemp = pxCurrentTimerList;
pxCurrentTimerList = pxOverflowTimerList;
pxOverflowTimerList = pxTemp;
}

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函数

prvProcessTimerOrBlockTask

中， 当节拍计数器没有溢出， 判断当前管理链表上溢出定时器并进行处理的函数

prvProcessExpiredTimer

整体和上面介绍差别不大，
执行函数回调， 判断是否需要重载等。

命令处理

用户将需要处理的定时器命令发送到定时器的消息队列， Daemon 任务每次执行期间回去读取并执行， 这部分工作有任务主体中的函数

prvProcessReceivedCommands

完成， 下面看看这个函数如何实现， 对应平时使用定时器控制函数更加有底。

以下代码做了简化

static void prvProcessReceivedCommands( void )
{
DaemonTaskMessage_t xMessage;
Timer_t *pxTimer;
BaseType_t xTimerListsWereSwitched, xResult;
TickType_t xTimeNow;

while( xQueueReceive( xTimerQueue, &xMessage, tmrNO_DELAY ) != pdFAIL )
{
#if ( INCLUDE_xTimerPendFunctionCall == 1 )
// 延期执行函数命令
// 执行注册的函数
#endif

// 定时器命令消息
if( xMessage.xMessageID >= ( BaseType_t ) 0 )
{
// 命令处理的定时器
pxTimer = xMessage.u.xTimerParameters.pxTimer;

if( listIS_CONTAINED_WITHIN( NULL, &( pxTimer->xTimerListItem ) ) == pdFALSE )
{
// 如果定时器已经在链表中， 不管37 21， 移除
( void ) uxListRemove( &( pxTimer->xTimerListItem ) );
}

// 判断节拍计数器是否溢出过 处理 切换
// 因为下面可能有新项插入 确保链表对应
xTimeNow = prvSampleTimeNow( &xTimerListsWereSwitched );

switch( xMessage.xMessageID )
{
case tmrCOMMAND_START :
case tmrCOMMAND_START_FROM_ISR :
case tmrCOMMAND_RESET :
case tmrCOMMAND_RESET_FROM_ISR :
case tmrCOMMAND_START_DONT_TRACE :
// 以上 ，都是让定时器跑起来
// 设置定时器溢出时间并插到链表中
if( prvInsertTimerInActiveList( pxTimer,
xMessage.u.xTimerParameters.xMessageValue +
pxTimer->xTimerPeriodInTicks, xTimeNow,
xMessage.u.xTimerParameters.xMessageValue )
!= pdFALSE )
{
// 处理定时器慢了， 该定时器已经溢出
// 赶紧执行其回调就看看函数
pxTimer->pxCallbackFunction( ( TimerHandle_t ) pxTimer );
// 重载定时器 重新启动
if( pxTimer->uxAutoReload
== ( UBaseType_t ) pdTRUE )
{
xResult = xTimerGenericCommand( pxTimer,
tmrCOMMAND_START_DONT_TRACE,
xMessage.u.xTimerParameters.xMessageValue+pxTimer->xTimerPeriodInTicks,
NULL, tmrNO_DELAY );
configASSERT( xResult );
( void ) xResult;
}
}
break;

case tmrCOMMAND_STOP :
case tmrCOMMAND_STOP_FROM_ISR :
// 停止定时器 开头已经从链表移除
// 不需要做其他
break;

case tmrCOMMAND_CHANGE_PERIOD :
case tmrCOMMAND_CHANGE_PERIOD_FROM_ISR :
// 更新定时器配置
pxTimer->xTimerPeriodInTicks =
xMessage.u.xTimerParameters.xMessageValue;
// 插入到管理链表 也就启动了定时器
( void ) prvInsertTimerInActiveList( pxTimer,
( xTimeNow + pxTimer->xTimerPeriodInTicks ),
xTimeNow, xTimeNow );
break;
case tmrCOMMAND_DELETE :
// 删除定时器
// 判断定时器内存是否需要释放（动态的释放）
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default :
/* Don't expect to get here. */
break;
}
}
}
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函数处理定时器，开头不管后面命令是什么，如果定时器原本在运行， 直接移除。

参考

FreeRtos timer