韦东山freeRTOS系列教程之第十章软件定时器(software timer)
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概述
软件定时器就是"闹钟",你可以设置闹钟,
-
在30分钟后让你起床工作
-
每隔1小时让你例行检查机器运行情况
软件定时器也可以完成两类事情:
- 在"未来"某个时间点,运行函数
- 周期性地运行函数
日常生活中我们可以定无数个"闹钟",这无数的"闹钟"要基于一个真实的闹钟。
在FreeRTOS里,我们也可以设置无数个"软件定时器",它们都是基于系统滴答中断(Tick Interrupt)。
本章涉及如下内容:
- 软件定时器的特性
- Daemon Task
- 定时器命令队列
- 一次性定时器、周期性定时器的差别
- 怎么操作定时器:创建、启动、复位、修改周期
10.1 软件定时器的特性
我们在手机上添加闹钟时,需要指定时间、指定类型(一次性的,还是周期性的)、指定做什么事;还有一些过时的、不再使用的闹钟。如下图所示:
使用定时器跟使用手机闹钟是类似的:
- 指定时间:启动定时器和运行回调函数,两者的间隔被称为定时器的周期(period)。
- 指定类型,定时器有两种类型:
- 一次性(One-shot timers):
这类定时器启动后,它的回调函数只会被调用一次;
可以手工再次启动它,但是不会自动启动它。 - 自动加载定时器(Auto-reload timers ):
这类定时器启动后,时间到之后它会自动启动它;
这使得回调函数被周期性地调用。
- 一次性(One-shot timers):
- 指定要做什么事,就是指定回调函数
实际的闹钟分为:有效、无效两类。软件定时器也是类似的,它由两种状态:
- 运行(Running、Active):运行态的定时器,当指定时间到达之后,它的回调函数会被调用
- 冬眠(Dormant):冬眠态的定时器还可以通过句柄来访问它,但是它不再运行,它的回调函数不会被调用
定时器运行情况示例如下:
- Timer1:它是一次性的定时器,在t1启动,周期是6个Tick。经过6个tick后,在t7执行回调函数。它的回调函数只会被执行一次,然后该定时器进入冬眠状态。
- Timer2:它是自动加载的定时器,在t1启动,周期是5个Tick。每经过5个tick它的回调函数都被执行,比如在t6、t11、t16都会执行。
10.2 软件定时器的上下文
10.2.1 守护任务
要理解软件定时器API函数的参数,特别是里面的xTicksToWait
,需要知道定时器执行的过程。
FreeRTOS中有一个Tick中断,软件定时器基于Tick来运行。在哪里执行定时器函数?第一印象就是在Tick中断里执行:
- 在Tick中断中判断定时器是否超时
- 如果超时了,调用它的回调函数
FreeRTOS是RTOS,它不允许在内核、在中断中执行不确定的代码:如果定时器函数很耗时,会影响整个系统。
所以,FreeRTOS中,不在Tick中断中执行定时器函数。
在哪里执行?在某个任务里执行,这个任务就是:RTOS Damemon Task,RTOS守护任务。以前被称为"Timer server",但是这个任务要做并不仅仅是定时器相关,所以改名为:RTOS Damemon Task。
当FreeRTOS的配置项configUSE_TIMERS
被设置为1时,在启动调度器时,会自动创建RTOS Damemon Task。
我们自己编写的任务函数要使用定时器时,是通过"定时器命令队列"(timer command queue)和守护任务交互,如下图所示:
守护任务的优先级为:configTIMER_TASK_PRIORITY;定时器命令队列的长度为configTIMER_QUEUE_LENGTH。
10.2.2 守护任务的调度
守护任务的调度,跟普通的任务并无差别。当守护任务是当前优先级最高的就绪态任务时,它就可以运行。它的工作有两类:
- 处理命令:从命令队列里取出命令、处理
- 执行定时器的回调函数
能否及时处理定时器的命令、能否及时执行定时器的回调函数,严重依赖于守护任务的优先级。下面使用2个例子来演示。
例子1:守护任务的优先性级较低
-
t1:Task1处于运行态,守护任务处于阻塞态。
守护任务在这两种情况下会退出阻塞态切换为就绪态:命令队列中有数据、某个定时器超时了。
至于守护任务能否马上执行,取决于它的优先级。 -
t2:Task1调用
xTimerStart()
要注意的是,xTimerStart()
只是把"start timer"的命令发给"定时器命令队列",使得守护任务退出阻塞态。
在本例中,Task1的优先级高于守护任务,所以守护任务无法抢占Task1。 -
t3:Task1执行完
xTimerStart()
但是定时器的启动工作由守护任务来实现,所以xTimerStart()
返回并不表示定时器已经被启动了。 -
t4:Task1由于某些原因进入阻塞态,现在轮到守护任务运行。
守护任务从队列中取出"start timer"命令,启动定时器。 -
t5:守护任务处理完队列中所有的命令,再次进入阻塞态。Idel任务时优先级最高的就绪态任务,它执行。
-
注意:假设定时器在后续某个时刻tX超时了,超时时间是"tX-t2",而非"tX-t4",从
xTimerStart()
函数被调用时算起。
例子2:守护任务的优先性级较高
-
t1:Task1处于运行态,守护任务处于阻塞态。
守护任务在这两种情况下会退出阻塞态切换为就绪态:命令队列中有数据、某个定时器超时了。
至于守护任务能否马上执行,取决于它的优先级。 -
t2:Task1调用
xTimerStart()
要注意的是,xTimerStart()
只是把"start timer"的命令发给"定时器命令队列",使得守护任务退出阻塞态。
在本例中,守护任务的优先级高于Task1,所以守护任务抢占Task1,守护任务开始处理命令队列。
Task1在执行xTimerStart()
的过程中被抢占,这时它无法完成此函数。 -
t3:守护任务处理完命令队列中所有的命令,再次进入阻塞态。
此时Task1是优先级最高的就绪态任务,它开始执行。 -
t4:Task1之前被守护任务抢占,对
xTimerStart()
的调用尚未返回。现在开始继续运行次函数、返回。 -
t5:Task1由于某些原因进入阻塞态,进入阻塞态。Idel任务时优先级最高的就绪态任务,它执行。
注意,定时器的超时时间是基于调用xTimerStart()
的时刻tX,而不是基于守护任务处理命令的时刻tY。假设超时时间是10个Tick,超时时间是"tX+10",而非"tY+10"。
10.2.3 回调函数
定时器的回调函数的原型如下:
void ATimerCallback( TimerHandle_t xTimer );
定时器的回调函数是在守护任务中被调用的,守护任务不是专为某个定时器服务的,它还要处理其他定时器。
所以,定时器的回调函数不要影响其他人:
-
回调函数要尽快实行,不能进入阻塞状态
-
不要调用会导致阻塞的API函数,比如
vTaskDelay()
-
可以调用
xQueueReceive()
之类的函数,但是超时时间要设为0:即刻返回,不可阻塞
10.3 软件定时器的函数
根据定时器的状态转换图,就可以知道所涉及的函数:
10.3.1 创建
要使用定时器,需要先创建它,得到它的句柄。
有两种方法创建定时器:动态分配内存、静态分配内存。函数原型如下:
/* 使用动态分配内存的方法创建定时器
* pcTimerName:定时器名字, 用处不大, 尽在调试时用到
* xTimerPeriodInTicks: 周期, 以Tick为单位
* uxAutoReload: 类型, pdTRUE表示自动加载, pdFALSE表示一次性
* pvTimerID: 回调函数可以使用此参数, 比如分辨是哪个定时器
* pxCallbackFunction: 回调函数
* 返回值: 成功则返回TimerHandle_t, 否则返回NULL
*/
TimerHandle_t xTimerCreate( const char * const pcTimerName,
const TickType_t xTimerPeriodInTicks,
const UBaseType_t uxAutoReload,
void * const pvTimerID,
TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction );
/* 使用静态分配内存的方法创建定时器
* pcTimerName:定时器名字, 用处不大, 尽在调试时用到
* xTimerPeriodInTicks: 周期, 以Tick为单位
* uxAutoReload: 类型, pdTRUE表示自动加载, pdFALSE表示一次性
* pvTimerID: 回调函数可以使用此参数, 比如分辨是哪个定时器
* pxCallbackFunction: 回调函数
* pxTimerBuffer: 传入一个StaticTimer_t结构体, 将在上面构造定时器
* 返回值: 成功则返回TimerHandle_t, 否则返回NULL
*/
TimerHandle_t xTimerCreateStatic(const char * const pcTimerName,
TickType_t xTimerPeriodInTicks,
UBaseType_t uxAutoReload,
void * pvTimerID,
TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction,
StaticTimer_t *pxTimerBuffer );
回调函数的类型是:
void ATimerCallback( TimerHandle_t xTimer );
typedef void (* TimerCallbackFunction_t)( TimerHandle_t xTimer );
10.3.2 删除
动态分配的定时器,不再需要时可以删除掉以回收内存。删除函数原型如下:
/* 删除定时器
* xTimer: 要删除哪个定时器
* xTicksToWait: 超时时间
* 返回值: pdFAIL表示"删除命令"在xTicksToWait个Tick内无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerDelete( TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait );
定时器的很多API函数,都是通过发送"命令"到命令队列,由守护任务来实现。
如果队列满了,"命令"就无法即刻写入队列。我们可以指定一个超时时间xTicksToWait
,等待一会。
10.3.3 启动/停止
启动定时器就是设置它的状态为运行态(Running、Active)。
停止定时器就是设置它的状态为冬眠(Dormant),让它不能运行。
涉及的函数原型如下:
/* 启动定时器
* xTimer: 哪个定时器
* xTicksToWait: 超时时间
* 返回值: pdFAIL表示"启动命令"在xTicksToWait个Tick内无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerStart( TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait );
/* 启动定时器(ISR版本)
* xTimer: 哪个定时器
* pxHigherPriorityTaskWoken: 向队列发出命令使得守护任务被唤醒,
* 如果守护任务的优先级比当前任务的高,
* 则"*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE",
* 表示需要进行任务调度
* 返回值: pdFAIL表示"启动命令"无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerStartFromISR( TimerHandle_t xTimer,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
/* 停止定时器
* xTimer: 哪个定时器
* xTicksToWait: 超时时间
* 返回值: pdFAIL表示"停止命令"在xTicksToWait个Tick内无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerStop( TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait );
/* 停止定时器(ISR版本)
* xTimer: 哪个定时器
* pxHigherPriorityTaskWoken: 向队列发出命令使得守护任务被唤醒,
* 如果守护任务的优先级比当前任务的高,
* 则"*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE",
* 表示需要进行任务调度
* 返回值: pdFAIL表示"停止命令"无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerStopFromISR( TimerHandle_t xTimer,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
注意,这些函数的xTicksToWait
表示的是,把命令写入命令队列的超时时间。命令队列可能已经满了,无法马上把命令写入队列里,可以等待一会。
xTicksToWait
不是定时器本身的超时时间,不是定时器本身的"周期"。
创建定时器时,设置了它的周期(period)。xTimerStart()
函数是用来启动定时器。假设调用xTimerStart()
的时刻是tX,定时器的周期是n,那么在tX+n
时刻定时器的回调函数被调用。
如果定时器已经被启动,但是它的函数尚未被执行,再次执行xTimerStart()
函数相当于执行xTimerReset()
,重新设定它的启动时间。
10.3.4 复位
从定时器的状态转换图可以知道,使用xTimerReset()
函数可以让定时器的状态从冬眠态转换为运行态,相当于使用xTimerStart()
函数。
如果定时器已经处于运行态,使用xTimerReset()
函数就相当于重新确定超时时间。假设调用xTimerReset()
的时刻是tX,定时器的周期是n,那么tX+n
就是重新确定的超时时间。
复位函数的原型如下:
/* 复位定时器
* xTimer: 哪个定时器
* xTicksToWait: 超时时间
* 返回值: pdFAIL表示"复位命令"在xTicksToWait个Tick内无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerReset( TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait );
/* 复位定时器(ISR版本)
* xTimer: 哪个定时器
* pxHigherPriorityTaskWoken: 向队列发出命令使得守护任务被唤醒,
* 如果守护任务的优先级比当前任务的高,
* 则"*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE",
* 表示需要进行任务调度
* 返回值: pdFAIL表示"停止命令"无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerResetFromISR( TimerHandle_t xTimer,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
10.3.5 修改周期
从定时器的状态转换图可以知道,使用xTimerChangePeriod()
函数,处理能修改它的周期外,还可以让定时器的状态从冬眠态转换为运行态。
修改定时器的周期时,会使用新的周期重新计算它的超时时间。假设调用xTimerChangePeriod()
函数的时间tX,新的周期是n,则tX+n
就是新的超时时间。
相关函数的原型如下:
/* 修改定时器的周期
* xTimer: 哪个定时器
* xNewPeriod: 新周期
* xTicksToWait: 超时时间, 命令写入队列的超时时间
* 返回值: pdFAIL表示"修改周期命令"在xTicksToWait个Tick内无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerChangePeriod( TimerHandle_t xTimer,
TickType_t xNewPeriod,
TickType_t xTicksToWait );
/* 修改定时器的周期
* xTimer: 哪个定时器
* xNewPeriod: 新周期
* pxHigherPriorityTaskWoken: 向队列发出命令使得守护任务被唤醒,
* 如果守护任务的优先级比当前任务的高,
* 则"*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE",
* 表示需要进行任务调度
* 返回值: pdFAIL表示"修改周期命令"在xTicksToWait个Tick内无法写入队列
* pdPASS表示成功
*/
BaseType_t xTimerChangePeriodFromISR( TimerHandle_t xTimer,
TickType_t xNewPeriod,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
10.3.6 定时器ID
定时器的结构体如下,里面有一项pvTimerID
,它就是定时器ID:
怎么使用定时器ID,完全由程序来决定:
- 可以用来标记定时器,表示自己是什么定时器
- 可以用来保存参数,给回调函数使用
它的初始值在创建定时器时由xTimerCreate()
这类函数传入,后续可以使用这些函数来操作:
- 更新ID:使用
vTimerSetTimerID()
函数 - 查询ID:查询
pvTimerGetTimerID()
函数
这两个函数不涉及命令队列,它们是直接操作定时器结构体。
函数原型如下:
/* 获得定时器的ID
* xTimer: 哪个定时器
* 返回值: 定时器的ID
*/
void *pvTimerGetTimerID( TimerHandle_t xTimer );
/* 设置定时器的ID
* xTimer: 哪个定时器
* pvNewID: 新ID
* 返回值: 无
*/
void vTimerSetTimerID( TimerHandle_t xTimer, void *pvNewID );
10.4 示例24: 一般使用
本节程序为FreeRTOS_24_software_timer
。
要使用定时器,需要做些准备工作:
/* 1. 工程中 */
添加 timer.c
/* 2. 配置文件FreeRTOSConfig.h中 */
#define configUSE_TIMERS 1 /* 使能定时器 */
#define configTIMER_TASK_PRIORITY 31 /* 守护任务的优先级, 尽可能高一些 */
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH 5 /* 命令队列长度 */
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH 32 /* 守护任务的栈大小 */
/* 3. 源码中 */
#include "timers.h"
main函数中创建、启动了2个定时器:一次性的、周期
static volatile uint8_t flagONEShotTimerRun = 0;
static volatile uint8_t flagAutoLoadTimerRun = 0;
static void vONEShotTimerFunc( TimerHandle_t xTimer );
static void vAutoLoadTimerFunc( TimerHandle_t xTimer );
/*-----------------------------------------------------------*/
#define mainONE_SHOT_TIMER_PERIOD pdMS_TO_TICKS( 10 )
#define mainAUTO_RELOAD_TIMER_PERIOD pdMS_TO_TICKS( 20 )
int main( void )
TimerHandle_t xOneShotTimer;
TimerHandle_t xAutoReloadTimer;
prvSetupHardware();
xOneShotTimer = xTimerCreate(
"OneShot", /* 名字, 不重要 */
mainONE_SHOT_TIMER_PERIOD, /* 周期 */
pdFALSE, /* 一次性 */
0, /* ID */
vONEShotTimerFunc /* 回调函数 */
);
xAutoReloadTimer = xTimerCreate(
"AutoReload", /* 名字, 不重要 */
mainAUTO_RELOAD_TIMER_PERIOD, /* 周期 */
pdTRUE, /* 自动加载 */
0, /* ID */
vAutoLoadTimerFunc /* 回调函数 */
);
if (xOneShotTimer && xAutoReloadTimer)
/* 启动定时器 */
xTimerStart(xOneShotTimer, 0);
xTimerStart(xAutoReloadTimer, 0);
/* 启动调度器 */
vTaskStartScheduler();
/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
return 0;
这两个定时器的回调函数比较简单:
static void vONEShotTimerFunc( TimerHandle_t xTimer )
static int cnt = 0;
flagONEShotTimerRun = !flagONEShotTimerRun;
printf("run vONEShotTimerFunc %d\\r\\n", cnt++);
static void vAutoLoadTimerFunc( TimerHandle_t xTimer )
static int cnt = 0;
flagAutoLoadTimerRun = !flagAutoLoadTimerRun;
printf("run vAutoLoadTimerFunc %d\\r\\n", cnt++);
逻辑分析仪如下图所示:
运行结果如下图所示:
10.5 示例25: 消除抖动
本节程序为FreeRTOS_25_software_timer_readkey
。
在嵌入式开发中,我们使用机械开关时经常碰到抖动问题:引脚电平在短时间内反复变化。
怎么读到确定的按键状态?
- 连续读很多次,知道数值稳定:浪费CPU资源
- 使用定时器:要结合中断来使用
对于第2种方法,处理方法如下图所示,按下按键后:
- 在t1产生中断,这时不马上确定按键,而是复位定时器,假设周期时20ms,超时时间为"t1+20ms"
- 由于抖动,在t2再次产生中断,再次复位定时器,超时时间变为"t2+20ms"
- 由于抖动,在t3再次产生中断,再次复位定时器,超时时间变为"t3+20ms"
- 在"t3+20ms"处,按键已经稳定,读取按键值
main函数中创建了一个一次性的定时器,从来处理抖动;创建了一个任务,用来模拟产生抖动。代码如下:
/*-----------------------------------------------------------*/
static void vKeyFilteringTimerFunc( TimerHandle_t xTimer );
void vEmulateKeyTask( void *pvParameters );
static TimerHandle_t xKeyFilteringTimer;
/*-----------------------------------------------------------*/
#define KEY_FILTERING_PERIOD pdMS_TO_TICKS( 20 )
int main( void )
prvSetupHardware();
xKeyFilteringTimer = xTimerCreate(
"KeyFiltering", /* 名字, 不重要 */
KEY_FILTERING_PERIOD, /* 周期 */
pdFALSE, /* 一次性 */
0, /* ID */
vKeyFilteringTimerFunc /* 回调函数 */
);
/* 在这个任务中多次调用xTimerReset来模拟按键抖动 */
xTaskCreate( vEmulateKeyTask, "EmulateKey", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 启动调度器 */
vTaskStartScheduler();
/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
return 0;
模拟产生按键:每个循环里调用3次xTimerReset,代码如下:
void vEmulateKeyTask( void *pvParameters )
int cnt = 0;
const TickType_t xDelayTicks = pdMS_TO_TICKS( 200UL );
for( ;; )
/* 模拟按键抖动, 多次调用xTimerReset */
xTimerReset(xKeyFilteringTimer, 0); cnt++;
xTimerReset(xKeyFilteringTimer, 0); cnt++;
xTimerReset(xKeyFilteringTimer, 0); cnt++;
printf("Key jitters %d\\r\\n", cnt);
vTaskDelay(xDelayTicks);
定时器回调函数代码如下:
static void vKeyFilteringTimerFunc( TimerHandle_t xTimer )
static int cnt = 0;
printf("vKeyFilteringTimerFunc %d\\r\\n", cnt++);
在人户函数中多次调用xTimerReset,只触发1次定时器回调函数,运行结果如下图所示:
以上是关于韦东山freeRTOS系列教程之第十章软件定时器(software timer)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
韦东山freeRTOS系列教程之第九章任务通知(Task Notifications)
韦东山freeRTOS系列教程之第八章事件组(event group)