RT-Thread学习笔记-8、RT-Thread时钟管理学习总结

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。


在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。

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