FreeRTOS--软件定时器

2023-05-16

定时器:从指定的时刻开始 经过一个指定时间 触发一个超时事件 用户自定义定时器的周期和频率。

硬件定时器:芯片本身提供的定时功能。一般是外部晶振提供给芯片输入时钟 芯片向软件模块一直配置寄存器 接收控制输入 到达设定时间值后芯片中断控制器产生时钟中断 硬件定时器的精度很高 可以达到纳秒级别 并且是中断触发方式。

软件定时器:软件定时器是由操作系统提供的一类系统接口,它构建在硬件定时器基 础之上,使系统能够提供不受硬件定时器资源限制的定时器服务,它实现的功能与硬件定时器也是类似的。

  使用硬件定时器时,每次在定时时间到达之后就会自动触发一个中断,用户在中断中处理信息;而 使用软件定时器时,需要我们在创建软件定时器时指定时间到达后要调用的函数(也称超时函数/回调函数,为了统一,下文均用回调函数描述),在回调函数中处理信息。
  软件定时器在被创建之后,当经过设定的时钟计数值后会触发用户定义的回调函数。定时精度与系统时钟的周期有关。一般系统利用 SysTick 作为软件定时器的基础时钟,软件定时器的回调函数类似硬件的中断服务函数,所以,回调函数也要快进快出,而且回调函数中不能有任何阻塞任务运行的情况(软件定时器回调函数的上下文环境是任务),比如 vTaskDelay()以及 其它能阻 塞任务运 行的函数 ,两次触发 回调函数 的时间间隔 xTimerPeriodInTicks 叫定时器的定时周期。
FreeRTOS软件定时器功能上支持:
裁剪:能通过宏关闭软件定时器功能。
软件定时器创建。
软件定时器启动。 
软件定时器停止。
软件定时器复位。
软件定时器删除。
FreeRTOS提供的软件定时器支持单次模式和周期模式:
   单次模式:当用户创建了定时器并启动了定时器后,定时时间到了,只执行一次回调
函数之后就将该定时器进入休眠状态,不再重新执行。
  周期模式:这个定时器会按照设置的定时时间循环执行回调函数,直到用户将定时器
删除

 

软件定时器的应用场景:

  硬件定时器受硬件的限制,数量上不足以满足用户的实际需求,无法提供更多的定时器,那么可以采用软件定时器来完成,由软件定时器代替硬件定时器任务。但需要注意的是软件定时器的精度是无法和硬件定时器相比的,而且在软件定时器的定时过程中是极有可能被其它中断所打断,因为软件定时器的执行上下文环境是任务。所以,软件定时器更适用于对时间精度要求不高的任务,一些辅助型的任务。
软件定时器的精度:
  在操作系统中 软件定时器以系统节拍周期为计时单位  系统节拍是系统的心跳节拍 表示系统时钟的频率。
软件定时器的运作机制:
   
    软件定时器是可选的系统资源,在创建定时器的时候会分配一块内存空间。当用户创建并启动一个软件定时器时, FreeRTOS 会根据当前系统时间及用户设置的定时确定该定时器唤醒时间,并将该定时器控制块挂入软件定时器列表,FreeRTOS 中采用两个定时器列表维护软件定时器,pxCurrentTimerList 与 pxOverflowTimerList 是列表指针,在初始化的时
候分别指向 xActiveTimerList1 与 xActiveTimerList2

 

pxCurrentTimerList:系统新创建并激活的定时器都会以超时时间升序的方式插入到pxCurrentTimerList 列表中。系统在定时器任务中扫描 pxCurrentTimerList 中的第一个定时
器,看是否已超时,若已经超时了则调用软件定时器回调函数。否则将定时器任务挂起
 
FreeRTOS 的软件定时器还有采用消息队列进行通信,利用“定时器命令队列” 向软件定时器任务发送一些命令,任务在接收到命令就会去处理命令对应的程序,比如启动定时器,停止定时器等
假如定时器任务处于阻塞状态,我们又需要马上再添加一个软件定时器的话,就是采用这种消息队列命令的方式进行添加,才能唤醒处于等待状态的定 时器任务,并且在任务中将新添加的软件定时器添加到软件定时器列表中,所以,在定时器启动函数中,FreeRTOS 是采用队列的方式发送一个消息给软件定时器任务,任务被唤醒从而执行接收到的命令

 使用软件定时器需要注意的几点:

  软件定时器的回调函数中应快进快出,绝对不允许使用任何可能引软件定时器起任务挂起或者阻塞的 API 接口,在回调函数中也绝对不允许出现死循环。 
  软件定时器使用了系统的一个队列和一个任务资源,软件定时器任务的优先级默认为 configTIMER_TASK_PRIORITY,为了更好响应,该优先级应设置为所有任务中最高的优先级。
  创建单次软件定时器,该定时器超时执行完回调函数后,系统会自动删除该软件定时器,并回收资源。
   定时器任务的堆栈大小默认为 configTIMER_TASK_STACK_DEPTH 个字节。
软件定时器控制块:
   使 用 定 时 器 前 我 们 需 要 通 过xTimerCreate()/xTimerCreateStatic()函数创建一个软件定时器,在函数中,FreeRTOS 将向系统管理的内存申请一块软件定时器控制块大小的内存用于保存定时器的信息。

 

软件定时器创建函数 xTimerCreate():
   源码:

 

使用实例:

 软件定时器启动函数:

 

除 在任 务启 动 软件 定 时器 之外 , 还有 在 中断 中启 动 软件 定 时器 的函 数xTimerStartFromISR() xTimerStartFromISR() 是函数 xTimerStart() 的中断版本,用于启动一 个先前由函数 xTimerCreate() / xTimerCreateStatic() 创建的软件定时器

使用实例:

  

 软件定时器停止函数:

   xTimerStop() 用于停止一个已经启动的软件定时器,该函数的实现也是通过“定时器命令队列”发送一个停止命令给软件定时器任务,从而唤醒软件定时器任务去将定时器停止。

 

使用实例:

 

xTimerStopFromISR() 是函数 xTimerStop() 的中断版本,用于停止一个正在运行的软件
定时器,让其进入休眠态,实现过程也是通过“定时器命令队列”向软件定时器任务发送
停止命令。

 

 

 软件定时器任务

  软件定时器任务的处理很简单,如果当前有软件定时器在运行,那么它大部分的时间都在等待定时器到期时间的到来,或者在等待对软件定时器操作的命令,而如果没有软件定时器在运行,那定时器任务的绝大部分时间都在阻塞中等待定时器的操作命令。

软件定时器是一个任务,在下一个定时器到了之前的这段时间,系统要把任务状态转移为阻塞态,让其他的任务能正常运行,这样子就使得系统的资源能充分利用。

 

读取“定时器命令队列”,处理相应命令,前面我们已经讲解一下定时器的函数是通过发送命令去控制定时器的,而定时器任务就需要有一个接收命且处理的函数,prvProcessReceivedCommands()
处理这些软件定时器命令是很简单的,当任务获取到命令消息的时候,会先移除对应的定时器,无论是什么原因,然后就根据命令去处理对应定时器的操作即可。
 

 软件定时器删除函数 xTimerDelete():

xTimerDelete()用于删除一个已经被创建成功的软件定时器,删除之后就无法使用该定时器,并且定时器相应的资源也会被系统回收释放。
 
 

使用实例:

实验:

  软件定时器实验是在 FreeRTOS 中创建了两个软件定时器,其中一个软件定时器是单次模式,5000 tick 调用一次回调函数,另一个软件定时器是周期模式,1000 tick 调用一次回调函数,在回调函数中输出相关信息。

 

 

 

实验现象:

 

 

 

 

 

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