RTOS训练营定时器的机制源码分析和晚课提问

Posted 2022-08-04 韦东山

一：定时器的机制

我们使用手机，设置一个有效的闹钟，需要设置的内容如下：

定时器也有三要素：

• 超时时间

• 超时函数

• 是否重复

我们使用队列的时候创建了一个结构体

我们使用信号量的时候，创建了一个信号量结构

我们使用事件组的时候创建了一个结构体

我们使用定时器的时候也要去创建一个结构体

用这样的函数来创建定时器：

xMyTimeHandle = xTimerCreate("mytimer",2000,pdFALSE,NULL,MyTimerCall)

这个就是它的结构体：

定时器初始化如下：

如果让你设计定时器的话，你会怎么做？

定时器可能存在以下情况：

1.有多个定时器

2.每个定时器的超时时间可能不一样

我们肯定会用一个链表管理这些定时器：

链表里面：根据超时时刻排序

超时时刻，就是某个tick

FreeRTOS中每1ms产生一次tick中断， tick计数累加

当tick值等于定时器的超时时间，定时器的超时函数就被调用

无论是什么操作系统，定时器的原理肯定是这样的

问题来了：

定时器的超时函数就被调用，被谁调用？

1.Tick中断？

2.某个任务？

都可以

Linux里：在Tick中断里处理定时器

FreeRTOS里：在某个任务里处理定时器

FreeRTOS为什么不在tick中断里处理定时器？

为了实时性。

中断的优先级，永远比任务高。

即使最低优先级的中断，它也比最高优先级的任务先运行

如果你在中断里面调用定时器的处理函数：

1.这些定时器函数可能并不需要那么优先地执行

2.这些定时器函数可能执行时间很长

3.都会影响到其他中断、所有任务

所以为了实时性：我们不在tick中断里面处理定时器

既然不在中断里处理定时器，那么就需要在应用里处理定时器

我们现在引入了一个任务：定时器任务

具体怎么管理呢？分为两类：

• 第一类：启动、停止、设置定时器：

在上图里面，左边的各种函数：实质都是写一个队列

右边的任务，去读这队列，根据队列的数据：来启动、停止、设置定时器

• 第二类：

怎么判断定时器是否超时？怎么去运行定时器函数？

我们在假设有三个定时器：timer0、1、2

他们的超时时间分别是：tA, tB, tC

超时间还没有到，这个定时器任务：从ReadyList放入DelayList

他放在哪个位置呢？根据tA决定

当Tick中断累加Tick值，到达tA的时候，就会把定时器任务从DelayList放到ReadyList

如果定时器任务的优先级最高，他就可以执行

我们分开讲了两种情况：处理队列、处理定时器

也就是说这个任务，他有两种唤醒源

1.队列有数据

2.时间到

怎么统一起来？

一个任务：怎么即等待队列有数据，又等待时间到？、

我们等待队列的时候，不是可以指定超时时间吗？这就是关键

等在队列的时候，我们可以指定：最多等待多少个Tick

我们再来总结一下机制：

1.有一个定时器任务

2.我们要去启动定时器的时候：xTimerStart（这个函数会写数据到 timer队列 里去)

3.定时器任务: 平时xNextExpireTime-xTimeNow

4.步骤2里面调用了xTimerStart写了队列，定时器任务马上被唤醒

5.定时器任务读队列、处理"start命令"

6.这个被启动的定时器，放入链表：

7.1 如果在等待队列时，队列再次得到数据，从上面的vQueueWaitForMessageRestricted函数退出，然后读队列、处理队列

7.2如果队列一直没有数据，那么上面的vQueueWaitForMessageRestricted超时退出，表示timer0到时间了，执行它的函数

二：源码分析

看看上面的图：

1.什么时候创建队列？创建第1个定时器时就会创建队列

2.什么时候创建定时器任务？启动调度器时就会创建定时器任务

main启动调度器，启动调度器时，先创建定时器任务

定时器的超时时间怎么确定？

1.创建定时器的时候，指定有一个参数：周期

2.启动定时器的时候：可以读取当前的tick值

3.超时时间 = 调用xTimerStart时的tick值 + 周期

前面的分析：

1.创建定时器导致创建队列

2.启动调度器，导致创建了定时器任务

我们再来看看怎么启动定时器：xTimerStart

启动定时器，是通过：xTimerStart

他的本质是：

定时器任务一直在等待队列的数据：

上图右边第2点：xNextExpireTime-xTimeNow

平时在等待队列的数据，他会等待多长时间呢？这个时间由第1个即将超时的定时器来决定

从队列里得到数据之后就会处理：

他会根据队列的数据来处理：

xTimerStart和xTimerStop等函数 ，写入队列的数据时不一样的

怎么启动定时器我们也看到了：

1.其他任务调用xTimerStart，实际上是写队列

2.定时器任务：读队列

3.根据队列数据，把定时器放入链表

定时器的函数什么时候被调用？怎么被调用？

1.定时器任务，平时在等待队列的数据：有一个超时时间

这个超时时间，由即将到时的定时器决定

2.等待过程中，超时时间到了

3.处理定时器

4.怎么处理？

三. 晚课学员提问

1. 问： 这个管理定时器任务的任务 优先级是多少？

答： 可以设置，是一个配置项

2. 问： 调用"start"函数 执行"start"函数写队列 唤醒定时器任务 处理"start命令"启动定时器吗? 还是说执行"start"函数定时器立即启动？

答： 1.什么叫做启动定时器？就是把它放入链表

2.什么时候把它放入链表？看下图：

执行"start"函数定时器立即启动：执行xTimerStart一定可以启动定时器吗？

失败的可能：

1.队列满，你不愿意等待

2.定时器任务优先级不够，没机会执行

所以：

1.xTimerStart可能失败，因为队列满

2.xTimerStart成功了，但是定时器不一定真正启动了

3. 问： 如果 某个定时器的任务 死循环了，其他定时器的任务也 嗝屁了？

答： 是的，但不完全对

准确的说法是这样：如果某个定时器的函数(不是任务)死循环了，那么定时器任务也就不能做其他事了

其他定时器的函数就无法执行了。

只有一个定时器任务，管理所有 定时函数。

4. 问：老师，这一个定时器任务，管理所有定时函数，也就是轮循所有定时器是否到时间？

答： 不是轮询

假设有三个定时器，他们的超时时间分别是：tA, tB, tC

需要轮询吗？

第1次：delay到tA

第2次：delay到tB

第3次：delay到tC

不需要轮询，只需要等待

5. 问： 老师，可以问一下么，定时器任务读链表的周期是多少？就是定时器任务的执行周期。

答： 读链表？还是读队列？

你没有理解到多任务的实质：你仍然以轮询的方式来思考

1.读队列：读、等待、有数据就返回，或者超时返回

2.读链表？不读链表，定时器插入链表时，根据超时时刻排序

在FreeRTOS中，都是阻塞-唤醒，很少用轮询

6. 问： 老师，我想问，如果其它任务一直在不间断的执行，如果Timer0时间到了，定时器任务不会处理timer0的到时间动作了是么？

答： 这就是优先级的问题：定时器任务也只是一个普通的任务

如果一直运行的其他任务，优先级比较高

那么定时器任务就没有办法执行

所以我们一般来说都会把定时器的任务设置得比较高

7. 问： 老师反过来，定时器任务一直运行是不是会使其它任务没有时间运行？

答： 这还是优先级的问题：定时器任务一直运行 ，它运行期间如果有其他更高优先级的任务就绪了，更高优先级的应用就会立刻执行

8. 问： 管理定时器的函数是任务它进行写队列操作，

定时器函数的执行需要另一个任务（定时器任务）进行读队列进行按照规定好的时间（类似时间片轮转）执行定时器函数，

定时器函数只在一个任务里面执行，

这个任务可以切换定时器函数。

老师我可以这样理解吗

答： 管理定时器的函数是任务：比如xTimerStart只是函数，不是任务

xTimerStart进行写队列操作，它只是写队列。

后续的工作需要另一个任务（定时器任务）进行：先读队列，进行按照规定好的

时间（等待时间，不是轮询）执行定时器函数，

定时器函数只在一个任务里面执行，这个任务可以处理多个定时器

9. 问： 如果配置了多个定时器，那定时器任务是如何设置自己的超时的时间呢？

是在启动新的定时器后会处理一下每个定时器的时间，然后把最短的时间拿来设置成定时器任务的超时时间吗？

答： 1.新增加一个定时器时，根据它的超时时间插入链表

2.新增加一个定时器时，根据它的超时时间插入链表

3.根据第1个定时器的超时时间，来设置定时器任务自己的超时时间

只需要根据链表第1个定时器的超时时间，来决定自己的超时时间

不需要遍历所有的定时器

10. 问： 老师，定时器任务的超时时间是从执行"start"时的tick+周期确定的？

如果创建了多个定时器 这个超时时间就是有最早的周期确定吗？

这个超时时间什么时候更新啊？

答： 1.每个定时器都有自己的周期，启动某个定时器的时候都有一个当前时间，这个定时器的超时时间就确定了

2.对于重复执行的定时器，他当前的时间到了，就会更新它的超时时间

11. 问： 1.老师有没有这种情况，定时器任务的超时时间到了 但是定时器还没有到时间 这个情况会怎么处理？(晚课里说定时器任务的超时时间到了会退出，表示定时器时间到了)。

2.老师假如我同时创建三个定时器（timer0 timer1 timer2），三个定时器的定时时间不同(timer0> timer1> timer2)，之后调用"xstart"函数同时启动三个定时器，此时这定时器任务的超时时间由谁决定，如果一个定时器到时间了 其他两个没有到时间 这时定时器任务的超时时间怎么更新，老师这里有些蒙，在晚课您说现有tA设置 再有tB设置 怎么个设置顺序啊。

3.老师您课上说这个超时时间由即将到时的定时器决定，假如上面三个定时器timer2时间最短，那么一开始超时时间由t2决定 等到t2到时间后 这个超时时间就会有即将到时间的timer1决定吗 老师系统中有多个定时器的时候这个超时时间这块有点不太理解

答： 1.这种情况经常发生，定时器任务读取队列的时候会阻塞，阻塞时间由第1个定时器决定

在它阻塞的过程中，如果有其他任务调用了定时器的函数，就相当于写了队列

这个时候，定时器任务马上就会被唤醒

唤醒之后会做什么事情：读出队列里面的数据、根据里面的数据来操作定时器（比如说启动它，停止它）

1.1 处理完队列的数据之后，如果第1个定时器的时间还没到，被再次读队列并阻塞（会根据第1个定时器调整阻塞的时间）

1.2 处理完队列的数据之后，如果第1个定时器的时间已经到了，就去执行第1个定时器的函数；
执行完函数之后，再次读队列并阻塞(阻塞时间由第2个定时器决定)

2.定时器任务的超时时间由：最近的定时器决定，也就是timer2

注意这个函数：
vQueueWaitForMessageRestricted( xTimerQueue, ( xNextExpireTime - xTimeNow ), xListWasEmpty );

上面这个函数的第2个参数：表示最多等待多少个tick

2.1 第1次等待队列： 最多等待tick = timer2的时间 - 当前tick

2.2 第2次等待队列： 最多等待tick = timer1的时间 - 当前tick

2.3 第3次等待队列： 最多等待tick = timer0的时间 - 当前tick

你要注意到当前ticket是不断变化的

问题3在问题2里面已经回答了