RTOS原理与实现11：软件定时器

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1. 软件定时器的原理与创建

1.1 问题概述

1.1.1 需求场景

在实际应用中，常常需要周期性或者在指定时间做一件事情，具体可分为如下2种情况，

周期性：在指定的延时开始做某件事情，然后周期性重复执行

一次性：在指定的延时开始做某件事情，执行一次后立即结束

1.1.2 硬件方案

由于硬件定时器有限，而定时任务需求可能有很多个，所以单纯依赖硬件定时器肯定不能满足需求

1.1.3 软件方案

使用任务 + tTaskDelay实现定时任务，框架如下

💡

虽然上述方案可行，但是如果为每个定时需求都启动一个任务的话，会导致任务数量过多，资源开销太大

因此方案的总体思路就是使用一个任务满足所有的定时需求

1.2 设计原理

1.2.1 定时器任务方案

💡

优点：

将每种定时需求的信息保存到软定时器结构中

将不同的软定时器结构组织为定时器列表

定时器任务依靠系统时钟节拍工作（e.g. SysTick向定时器任务发送事件），定时器任务扫描定时器列表并执行已经到期的定时函数

💡

缺点：

定时器任务可能被更高优先级的任务抢占CPU运行，导致对定时器列表的刷新滞后

由一个定时器任务执行所有的定时器函数，在定时精度上也会有偏差（e.g. 某个定时器函数运行时间较长）

1.2.2 定时器中断方案

优点：为确保定时时间确定，在SysTick ISR中扫描定时器列表，并执行已经到期的定时函数

缺点：由于是在SysTick ISR中调用定时函数，所以要执行的函数必须尽可能短小简单

1.2.3 最终总体方案

💡

要点：设置2个定时器列表，一个由SysTick ISR处理，另一个由定时器任务处理

SysTick ISR处理的定时器任务必须尽可能简单，但是可以保持相对确定的计时

定时器任务处理的定时器虽然计时相对不确定，但是对定时函数的要求更低，因此需要根据使用场景选择合适的方式

补充：这种关系类似Linux中的中断顶半部和底半部

1.3 设计实现

1.3.1 定义定时器类型

1.3.2 添加tTimerInit函数

💡

说明：如果将周期计数值（durationTicks）设置为0，则标识一次性定时任务

2. 软件定时器的启动与停止

2.1 设计原理

2.1.1 定时器的启动

💡

说明：启动定时器就是将软定时器结构根据配置插入指定的定时器列表

2.1.2 定时器的停止

💡

说明：停止定时器就是将软定时器结构从对应的定时器列表中移除

2.2 设计实现

2.2.1 添加定时器相关资源

在定义完上述定时器相关资源后，添加tTimerModuleInit函数初始化这些资源

说明：此处将定时器任务优先级设置为1，在设置时不能和空闲任务（idle task）处于同一优先级，因为空闲任务是没有其他任务可执行时的特殊任务

如果有任务和空闲任务同优先级，会影响后续空闲任务中的功能开发（e.g. 性能测量）

2.2.2 添加tTimerCallFuncList函数

说明：tTimerCallFuncList函数为通用的定时器列表处理函数，将分别被SysTick ISR和定时器任务调用，分别处理硬定时器列表和软定时器列表

讨论：在使用中如何确保定时器任务的时间精度

从tTimerCallFuncList函数的实现可见，无论是硬定时器还是软定时器，在处理过程中都会遍历各自的定时器列表，并在时间到期后调用定时器回调函数

所以如果定时器回调函数运行时间过长，就会影响定时精度，因此定时器任务应该尽可能简单短小。如果确实需要定时完成复杂的工作，应该启动单独的任务，通过定时器回调函数与任务的交互，将耗时的操作推迟给任务执行（在Linux内核编程中也应该做类似的处理）

2.2.3 添加tTimerStart函数

说明1：对硬定时器列表的保护

硬定时器列表被SysTick ISR和任务访问，所以使用临界区保护

说明2：对软定时器列表的保护

软定时器列表被定时器任务和其他任务访问，所以使用计数信号量保护。此处未使用互斥信号量，是因为临界区代码非常简单，无需互斥信号量的众多特性

说明3：目前假定tTimerStart & tTimerStop函数均只能在任务中调用，如果希望这2个函数也能在ISR中被调用，则需要添加进出临界区的保护（仅使用信号量就不够了[更准确的说，使用信号量是不行]）

此处要注意，在ISR中是没有办法用信号量实现互斥的，因为ISR不是一个任务，触发任务调度也不能起到阻塞ISR的作用

说明4：启动定时器时需要再次设置timer->delayTicks

因为可能启动一个已经运行过的定时器，此时该定时器的delayTicks字段为0

2.2.4 添加tTimerStop函数

2.2.5 对硬定时器队列的处理

硬定时器队列由SysTick ISR处理，此处添加tTimerModuleTickNotify函数实现该功能，同时向定时器任务发送信号

说明1：向定时器任务发送信号后，定时器任务才会运行并处理软定时器列表

说明2：tTimerModuleTickNotify函数由SysTick ISR调用

2.2.6 对软定时器队列的处理

软定时器列表由定时器任务处理，而定时器任务的运行需要依赖SysTick ISR向其发送信号

3. 软件定时器的删除与状态查询

3.1 设计原理

3.1.1. 定时器删除

说明：删除定时器就是将定时器结构从对应的定时器列表中删除，然后将定时器结构的状态设置为tTimerDestroy

3.2 设计实现

3.2.1 添加tTimerDestroy函数

说明：销毁定时器就是先将定时器停止，然后修改其状态为tTimerDestroy

3.2.2 添加tTimerGetInfo函数

为获取定时器的状态，首先定义用于保存定时器信息的结构

说明：关于互斥的讨论

目前对定时器的操作包含启动、停止、销毁、遍历定时器列表和查询状态，目前均通过进入临界区或信号量的方式进行了互斥

而此处的共享资源就是定时器列表及其中每个定时器结构的状态