RT-Thread第4課，聽聽 RT-Thread 的心跳，再學習一下基于心跳的軟件定時器使用。

目錄

前言
一、RT-Thread 時鐘節拍
1.1 時鐘節拍的概念
1.2 時鐘節拍實現原理
1.3 時鐘節拍示例
二、RT-Thread 軟件定時器
2.1 軟件定時器基本介紹
2.2 系統定時器初始化
2.3 定時器工作機制
2.4 us 延時函數
2.5 軟件定時器 or 硬件定時器？
三、 RT-Thread 軟件定時器操作函數
3.1 動態創建和刪除定時器
3.2 靜態創建和刪除定時器
3.3 啟動和停止定時器
3.4 定時器控制函數
四、定時器使用示例
4.1 動態創建定時器示例
4.2 靜態創建定時器示例
結語

前言

學習RTOS，肯定接觸到軟件定時器，學會軟件定時器的使用能夠使得我們擺脫硬件定時器在某些地方的局限性，而軟件定時器的實現，又是基于系統的時鐘節拍，本文除了了解 RT-Thread 軟件定時器API，學會使用 RT-Thread 軟件定時器，還需要先了解下 RT-Thread 時鐘管理相關知識。

本 RT-Thread 專欄記錄的開發環境：
RT-Thread記錄（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發環境 及 配合CubeMX開發快速上手）
RT-Thread記錄（二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析
RT-Thread 內核篇系列博文鏈接：
RT-Thread記錄（三、RT-Thread 線程操作函數及線程管理）

一、RT-Thread 時鐘節拍

1.1 時鐘節拍的概念

時鐘節拍 (OS Tick)是系統心跳！任何操作系統都需要提供一個時鐘節拍，以供系統處理所有和時間有關的事件。

操作系統中最小的時間單位是時鐘節拍，時鐘節拍是特定的周期性中斷，內核在時鐘節拍到的時候進行上下文切換。

RT-Thread 中，時鐘節拍的長度可以根據 RT_TICK_PER_SECOND 的定義來調整，等于1/RT_TICK_PER_SECOND 秒，在我們測試的STM32F上，默認的時鐘節拍為1ms，如下：

在上一節創建線程的時候最后一個參數是時間節拍數，比如設置為50，那么線程的時間片就是50ms。

另外，rtconfig.h中有 RT-Thread 內核配置，線程通訊配置，組件配置，shell配置，設備驅動配置等等的宏定義配置。

RT_TICK_PER_SECOND是可以修改的，比如我們修改成100。時鐘節拍就是10ms。

1.2 時鐘節拍實現原理

那么時間節拍是如何實現的？
前面說過：時鐘節拍是特定的周期性中斷，這個中斷一般由MCU硬件定時器決定，就是系統的時鐘節拍的產生還是基于MCU的硬件定時器！

對于我們使用的 Corex-M 芯片來說，就是由滴答定時器Systick 來實現系統時鐘節拍的。

既然與滴答定時器Systick有關系，那么我們可以通過工程代碼來看一看，如圖：

在滴答定時器的中斷處理函數中，我們可以看到如下操作：

上圖代碼中的 全局變量，rt_tick 的值表示了系統從啟動開始總共經過的時鐘節拍數，即系統時間。rt_tick 在每經過一個時鐘節拍時，值就會加 1。

到這里又有一個問題了，STM32中滴答定時器Systick不是固定的嗎？
所以我們這里就要說說 RT_TICK_PER_SECOND 改變的是什么，這個宏定義是如何影響系統節拍的。

我們找到drv_common.c文件中的rt_hw_systick_init函數，如下圖：

上圖就是 RT-Thread 初始化配置啟動 MCU 滴答定時器的函數，里面的配置用到了我們的宏定義RT_TICK_PER_SECOND，所以宏定義的改變可以直接改變 Systick 的頻率，直接使得系統的時鐘節拍不同。

1.3 時鐘節拍示例

在上文我們說到，全局變量 rt_tick 表示了系統從啟動開始總共經過的時鐘節拍數， RT-Thread 給我們提供了一個函數rt_tick_get來查看當前的時鐘節拍值：

/*
返回值：rt_tick 	當前時鐘節拍值
*/
rt_tick_t rt_tick_get(void);

為了鞏固一下上面的內容，我們來簡單的做個測試，因為測試比較簡單，我就直接上圖：

當RT_TICK_PER_SECOND為1000的時候，就表示我們設置系統節拍為 1ms，那么 tick 的值就是 1ms 加一次，所以延時 1000ms 以后，是增加1000。
當RT_TICK_PER_SECOND為100 的時候，就表示我們設置系統節拍為 10ms，那么 tick 的值就是 10ms 加一次，所以延時 1000ms 以后，是增加100。

二、RT-Thread 軟件定時器

2.1 軟件定時器基本介紹

RT-Thread 操作系統提供軟件實現的定時器，以時鐘節拍（OS Tick）的時間長度為單位，即定時數值必須是 OS Tick 的整數倍。

定時器分為 單次觸發定時器，周期觸發定時器；

定時器不管使用和理解都是比較簡單的，對于軟件定時的的一些注意事項，我在介紹FreeRTOS軟件定時器的時候寫過，可以比較參考一下，如下：

與 FreeRTOS 不同的是，根據超時函數執行時所處的上下文環境，RT-Thread 的定時器可以分為 HARD_TIMER 模式與 SOFT_TIMER 模式：

• HARD_TIMER 模式

HARD_TIMER 模式的定時器超時函數在中斷上下文環境中執行，RT-Thread 定時器默認的方式是 HARD_TIMER 模式，即定時器超時后，超時函數是在系統時鐘中斷的上下文環境中運行的。

簡單來說就是要把 HARD_TIMER 模式的回調函數當成 中斷函數處理，快進快出。

• SOFT_TIMER 模式

SOFT_TIMER 模式可配置，通過宏定義 RT_USING_TIMER_SOFT 來決定是否啟用該模式。該模式被啟用后，系統會在初始化時創建一個 timer 線程，然后 SOFT_TIMER 模式的定時器超時函數在都會在 timer 線程的上下文環境中執行?？梢栽诔跏蓟?/ 創建定時器時使用參數RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER 來指定設置 SOFT_TIMER 模式。

個人的習慣是，應用中還是定義 RT_USING_TIMER_SOFT，然后使用 SOFT_TIMER 模式，個人感覺這樣才更“像”軟件定時器。

最后要給個建議，實際應用，不管是 HARD_TIMER 模式，還是 SOFT_TIMER 模式，在超時函數中都要做到快進快出，不要有延時掛起等操作。

2.2 系統定時器初始化

在 RT-Thread 使用中，往往都會定義RT_USING_TIMER_SOFT ，使用軟件定時器并且啟動 SOFT_TIMER 模式 ，該模式被啟用后，系統會在初始化時創建一個 timer 線程，用來對軟件定時器經常管理，那么我們就通過源碼來看看 RT-Thread 到底是如何操作的。

通過 《RT-Thread記錄（二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析）》學習，我們可以找到rtthread_startup函數：

先來看看第一個rt_system_timer_init：

接下來看看第二個函數rt_system_timer_thread_init：

我們繼續進入 timer 線程的入口函數，來看看 timer 線程具體做了什么事情，這里我們就通過放源碼，看注釋來分析一下：

/* system timer thread entry */
static void rt_thread_timer_entry(void *parameter)
{
    rt_tick_t next_timeout;

    while (1)
    {
        /* 
        get the next timeout tick
        獲取下一次超時時間
        得到軟件定時器鏈表上的下一個定時器的超時時間點   
		*/
        next_timeout = rt_timer_list_next_timeout(rt_soft_timer_list);
        /*
        如果超過范圍，表示沒有軟件定時器，
        則掛起當前線程，繼續線程調度
        */
        if (next_timeout == RT_TICK_MAX)
        {
            /* no software timer exist, suspend self. */
            rt_thread_suspend(rt_thread_self());
            rt_schedule();
        }
        else
        {
            rt_tick_t current_tick;

            /* 
            get current tick 
            獲取當前時間點
            */
            current_tick = rt_tick_get();
			 /*
			 離下個中斷時間點還差些時候
			 */
            if ((next_timeout - current_tick) < RT_TICK_MAX / 2)
            {
                /* get the delta timeout tick */
                next_timeout = next_timeout - current_tick;//計算還差多長時間
                rt_thread_delay(next_timeout);//休眠差的這段時間 
            }
        }

        /* 
        check software timer
        檢查是否該產生超時事件
        */
        rt_soft_timer_check();
    }
}
#endif

如果要繼續往下面分析，就得繼續分析rt_soft_timer_check();的實現源碼了，這里我們就不繼續分析下去，因為到目前為止，我們對于 RT-Thread 系統定時器的初始化過程已經有了一個全面的認識，對于我們理解定時器有了很大的幫助，但是喜歡研究的小伙伴可以繼續往下面分析，分析源碼是理解一個系統最直接最有效的方式！

2.3 定時器工作機制

和線程控制塊一樣，內核對于定時器的管理是通過這個定時器控制塊結構體，里面包括 RT-Thread 軟件定時器的所有的“屬性”，對這些屬性的查看，修改就可以對實現對這個軟件定時器的管理控制。

/**
 * timer structure
 */
struct rt_timer
{
	/**< inherit from rt_object */
    struct rt_object parent;                            
	/* 定時器鏈表節點 */
    rt_list_t        row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL];    
	/**< timeout function 定時器超時調用的函數 */
    void (*timeout_func)(void *parameter);
    /**< timeout function's parameter 超時函數的參數*/             
    void            *parameter;                         
 	/**		 < timer timeout tick  定時器初始超時節拍數 */
    rt_tick_t        init_tick;
    /**< timeout tick 定時器實際超時時的節拍數*/                         
    rt_tick_t        timeout_tick;                     
};
typedef struct rt_timer *rt_timer_t;

定時器控制塊由 struct rt_timer 結構體定義并形成定時器內核對象，再鏈接到內核對象容器中進行管理，list 成員則用于把一個激活的（已經啟動的）定時器鏈接到 rt_timer_list 鏈表中。

對于定時器的工作機制，在 RT-Thread 的介紹已經很詳細了，我這里用官方一張圖表示一下：

對于定時器的工作機制，實際上對我們使用定時器并沒有直接的幫助（因為定時器的使用真的很簡單），但是他能夠讓我們更深的理解定時器。往往這些更深的理解在我們遇到問題的時候，對解決問題起著至關重要的作用。

2.4 us 延時函數

使用過STM32 HAL 庫的小伙伴都知道，HAL庫是沒有us延時的，在 FreeRTOS 中，也是沒有us延時函數的。但是我們在進行一些總線操作的時候，比如軟件 I2C 通訊，不得不用到 us 延時函數。
現在好了，在使用 RT-Thread 的時候，系統直接給了我們一個 us延時函數，如下：

/**
 * This function will delay for some us.
 *
 * @param us the delay time of us
 */
void rt_hw_us_delay(rt_uint32_t us)
{
    rt_uint32_t start, now, delta, reload, us_tick;
    start = SysTick->VAL;
    reload = SysTick->LOAD;
    /* 獲得延時經過的 tick 數 */
    us_tick = SystemCoreClock / 1000000UL;
    do {  	
        now = SysTick->VAL; // 獲得當前時間 
        delta = start > now ? start - now : reload + start - now;
    } while(delta < us_tick * us);
}

注意，這個函數只能支持低于 1 OS Tick 的延時。比如我們默認的設置，1OS Tick 為 1ms，那么這個函數的參數 us 必須小于 1000！

2.5 軟件定時器 or 硬件定時器？

那么在實際應用中，是使用軟件定時器 還是硬件定時器？我在另外一篇博文有過說明，如下圖：

用我們常用的 STM32系列芯片打個比方，也要看什么系列的芯片，首先STM32的定時器其實已經足夠多，不管是M0全系列，還是M3M4全系列，至少也有4個（有錯誤請指出），他的硬件定時器足夠多的情況下，你可以不用軟件定時器，對于一些系列信號，RAM比較小的情況，有的小于10KB，那么你在跑 RTOS 的時候都得特別注意內存大小，這個時候如果對內存管理，代碼優化不是很了解的情況下，我是不建議用的。

但是一些特殊的應用場合，軟件定時器還是比硬件定時器優勢明顯，因為可以隨意更改延時時間。同時使用軟件定時器的代碼移植起來更快。

三、 RT-Thread 軟件定時器操作函數

上文的基礎知識，說來說去也有一大堆了，到了說說怎么使用的時候了。
（快點！快點！理論都快睡著了！ 用起來！展示起來?。?/p>

3.1 動態創建和刪除定時器

動態創建定時器（函數介紹看注釋，以下函數介紹類似）：

/*
參數的含義：
1、name 	定時器的名稱
2、void (timeout) (void parameter) 	定時器超時函數指針（當定時器超時時，系統會調用這個函數）
3、parameter 	定時器超時函數的入口參數（當定時器超時時，調用超時回調函數會把這個參數做為入口參數傳遞給超時函數）
4、time 	定時器的超時時間，單位是時鐘節拍
5、flag 	定時器創建時的參數，支持的值包括單次定時、周期定時、硬件定時器、軟件定時器等（可以用 “或” 關系取多個值）
返回值：
RT_NULL   	創建失?。ㄍǔ捎谙到y內存不夠用而返回 RT_NULL）
定時器的句柄 	定時器創建成功
 */
rt_timer_t rt_timer_create(const char *name,
                           void (*timeout)(void *parameter),
                           void       *parameter,
                           rt_tick_t   time,
                           rt_uint8_t  flag)

上面的函數，其中第5個參數 flag，有2組值可以填寫（對于靜態創建定時器也是如此），如下圖：

上面的2組宏定義可以以 “或” 邏輯的方式賦給 flag，比如：

動態刪除定時器：

/*
參數：
timer 	定時器句柄，指向要刪除的定時器控制塊
返回值：
RT_EOK 	刪除成功
*/
rt_err_t rt_timer_delete(rt_timer_t timer);

3.2 靜態創建和刪除定時器

和線程一樣，官方的用語是 初始化 和 脫離 定時器（理由在我上一篇博文有分析）。

靜態創建定時器：

/*
參數的含義：
1、timer 	定時器句柄，指向要初始化的定時器控制塊，用戶創建的定時器控制塊結構體
2、name 	定時器的名稱
3、void (timeout) (void parameter) 	定時器超時函數指針（當定時器超時時，系統會調用這個函數）
4、parameter 	定時器超時函數的入口參數（當定時器超時時，調用超時回調函數會把這個參數做為入口參數傳遞給超時函數）
5、time 	定時器的超時時間，單位是時鐘節拍
6、flag 	定時器創建時的參數，支持的值包括單次定時、周期定時、硬件定時器、軟件定時器等（可以用 “或” 關系取多個值）
返回值：
無返回值
 */
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)

靜態刪除定時器：

/**
參數：
timer 	定時器句柄，指向要刪除的定時器控制塊
返回值：
RT_EOK 	刪除成功
 */
rt_err_t rt_timer_detach(rt_timer_t timer)

3.3 啟動和停止定時器

啟動定時器：

當定時器被創建或者初始化以后，并不會被立即啟動，必須在調用啟動定時器函數接口后，才開始工作，啟動定時器函數接口如下：

/**
參數：
timer 	定時器句柄，指向要啟動的定時器控制塊
返回值：
RT_EOK 	啟動成功
 */
rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer)

停止定時器：

/**
參數：
timer 	定時器句柄，指向要啟動的定時器控制塊
返回值：
RT_EOK 		成功停止定時器
- RT_ERROR 	timer 已經處于停止狀態
 */
rt_err_t rt_timer_stop(rt_timer_t timer)

調用定時器停止函數接口后，定時器狀態將更改為停止狀態，并從 rt_timer_list 鏈表中脫離出來不參與定時器超時檢查。

當一個周期性定時器超時時，也可以調用這個函數接口停止這個定時器本身。

3.4 定時器控制函數

RT-Thread 提供了定時器控制函數接口，以獲取或設置更多定時器的信息。

/**
參數的含義：
1、timer 	 	定時器句柄，指向要控制的定時器控制塊
2、cmd 	
用于控制定時器的命令，當前支持5個命令，
分別是設置定時時間，查看定時時間，設置單次觸發，設置周期觸發，查看狀態
3、arg 	
與 cmd 相對應的控制命令參數 
比如，cmd 為設定超時時間時，就可以將超時時間參數通過 arg 進行設定
返回值：
RT_EOK 	成功
 */
rt_err_t rt_timer_control(rt_timer_t timer, int cmd, void *arg)

在官網介紹，上面函數的第二個參數只有 4 個命令，但是實際上我通過自己的工程查看得知現在的版本已經有5個命令了，如下:

四、定時器使用示例

定時器的使用還是比較簡單的，我們這里還是直接通過截圖說明的方式講解下示例。

4.1 動態創建定時器示例

4.2 靜態創建定時器示例

結語

本文的內容其實還是比較簡單的，在使用示例，我們只展示了定時器的創建方法和使用效果，實際引用中已經能夠滿足大部分場合的需求。小伙伴可以自己新建線程嘗試通過定時器的控制函數控制某個定時器，以便更加熟悉 RT-Thread 軟件定時器的使用。

還是希望懂的朋友看完能夠多多指教！不懂的朋友看完能懂！謝謝！