老板說我技術需要有長進，不能只做一個crud boy， 于是我選來選去，終于選定了，來學習作業系統，因為作業系統一直被看做是計算機軟體的基石，

本系列是我學習作業系統的筆記，作業系統是以AliOS Things為例子，其他的作業系統也是差不多，

本文主要是講作業系統的定時器管理，后面會有更多的作業系統內容介紹，

國慶假期學門新技術，拒絕只做crud boy, 就從作業系統開始 - 中斷管理

1、背景

定時器，顧名思義，是指從指定的時刻開始，經過一個指定的時間，然后觸發一個超時事件，用戶可以自定義定時器的周期與頻率，跟生活中的鬧鐘類似，我們可以設定鬧鐘每天什么時候響，還可以設定響的次數，是響一次還是每天都響，

在嵌入式系統中，我們往往需要跟時間相關的操作，比如任務的延時調度、任務的周期性運行等，基于對時鐘精確的要求，每個運行的芯片平臺都會提供相應的硬體定時機制，

作業系統中最小的時間單位是系統時鐘節拍（OS Tick），本章主要介紹基于硬體定時機制的系統時鐘節拍，和基于時鐘節拍的軟體定時器，軟體定時器是AliOS Things中的一個重要模塊，使用軟體定時器可以方便的實作一些與超時或周期性相關的功能，

本章也將從AliOS Things軟體定時器的API入手，來分析AliOS Things軟體定時器的運行機理，讀完本章，我們將了解系統時鐘節拍是如何產生的，并學會如何使用AliOS Things軟體定時器，

定時器有硬體定時器和軟體定時器之分，首先介紹硬體定時器，

2、AliOS Things 定時器管理

2.1、硬體定時器介紹

硬體定時器是芯片平臺本身提供的定時功能，一般是由外部晶振作為輸入時鐘提供給芯片，芯片向軟體模塊提供可配置能力，接受控制輸入，在到達設定的時間后芯片產生時鐘中斷，用戶在中斷服務函式中處理資訊，芯片的外部晶振一般選用MHZ級別，所以硬體定時器的精度很高，可以達到納秒級別，

目前芯片平臺一般會提供兩種定時模式，原理如下：

1. 倒計數模式：硬體定時器提供一個count暫存器配置，設定其初始值后，其隨著定時時鐘的頻率計數遞減，遞減頻率即為定時器頻率，當計數值為0時，定時結束，觸發對應的定時處理，如果是周期模式，可以設定其每次計數為0后自動復位的count起始計數值（一般也通過暫存器設定），以此來設定觸發周期，
2. 正計數模式：硬體定時器提供兩個基本的暫存器配置——count暫存器和compare暫存器配置，count暫存器的值會隨著時鐘頻率計數遞增，當其達到compare設定的值后，即觸發對應的定時處理，如果是周期模式，則需要按照時鐘頻率和延時周期來設定后續的compare值，即在上一次的定時處理內，設定下一次的compare暫存器，

上述兩種方式具體參考所使用的芯片平臺手冊，

2.2、系統時鐘節拍作業機制

在嵌入式系統中，通常軟體定時器以系統節拍為計時單位，時鐘節拍是嵌入式操作作業系統OS運行的“心跳”，任何作業系統都需要提供一個時鐘節拍，用于處理所有與時間相關的事件，如任務的延時、任務的時間片輪轉調度、軟體定時器的超時事件等，

時鐘節拍是特定的周期性中斷，其本質就是基于芯片的硬體定時機制所設定的一個基礎硬體定時器，定時周期一般是1~100ms，在AliOS Things中，系統節拍的長度可以根據

RHINO_CONFIG_TICKS_PER_SECOND

這個宏的定義來調整（該宏在k_config.h中有定義），

系統時鐘節拍的值等于1/RHINO_CONFIG_TICKS_PER_SECOND秒，比如：HaaS100和HaaS EDU平臺上，RHINO_CONFIG_TICKS_PER_SECOND的值定義為1000，那么時鐘節拍就是1/1000秒，即1ms，也就是每1ms系統會“心跳”一次，產生一個tick中斷，

由于系統時鐘節拍定義了系統中定時器的精度，系統可以根據實際系統CPU的處理能力和實時性需求設定合適的數值，系統節拍周期的值越小，精度越高，但是系統開銷也將越大，因為在1秒中系統進入時鐘中斷的次數也就越多，

2.2.1、時鐘節拍的實作方式

時鐘節拍由芯片的硬體定時器產生，硬體定時器配置為中斷觸發模式，如果作業系統希望1ms能產生一次定時觸發，則必須將1ms轉換為定時器的cycle計數值，并將此cycle值按照實際倒計數或者正計數的模式來配置定時器的相關暫存器，

配置定時器的cycle間隔功能一般由相關芯片平臺的驅動提供，不同芯片平臺的配置方式略有差別，讀者可參考平臺適配的代碼，

時鐘節拍tick的處理指的是每次tick周期觸發時，作業系統需要進行的處理，AliOS Things提供了統一的tick函式入口krhino_tick_proc，將此函式加入tick定時器中斷處理函式，以此來達到屏蔽硬體差異的目的，

以HaaS100開發板為例，在SysTick_Handler中斷處理函式中呼叫AliOS Things的tick調度函式krhino_tick_proc：

void SysTick_Handler(void)

{

      /* 進入中斷 */

      krhino_intrpt_enter();

      /* tick isr */

      krhino_tick_proc();

    /* 退出中斷 */

      krhino_intrpt_exit();

}

void krhino_tick_proc(void)

{

#if (RHINO_CONFIG_USER_HOOK > 0)

    krhino_tick_hook();

#endif

 

    tick_list_update(1);

 

#if (RHINO_CONFIG_SCHED_RR > 0)

    time_slice_update();

#endif

}

可以看到每經過一個時鐘節拍，由作業系統維護的tick值（即系統時間）就會加1，同時會檢查當前任務的時間片是否用完，以及是否有定時器超時，具體代碼請參考k_time.c檔案，

2.2.2、時鐘節拍常用介面

時鐘節拍（tick模塊）提供了幾個維測介面用來獲取基本的tick資訊，

2.3、軟體定時器作業機制

2.3.1、軟體定時器介紹

AliOS Things作業系統提供軟體實作的定時器

1. 指定時間到達后要呼叫回呼函式（也稱超時函式），用戶在回呼函式中處理資訊，
2. 軟體定時器是由作業系統提供統一API介面供用戶使用，
3. 軟體定時器要以時鐘節拍（OS Tick）的時間長度為單位，定時周期必須是OS Tick的整數倍，例如AliOS Things OS Tick是10ms,那么上層軟體定時器只能是10ms、20ms、100ms等，而不能定時為15ms，

AliOS Things提供的軟體定時器支持單次模式和周期模式，

1. 單次模式：當用戶創建了定時器并啟動了定時器后，定時時間到了，只執行一次回呼函式之后，系統就將該定時器洗掉，不再重新執行，
2. 周期模式：定時器會按照設定的定時時間回圈執行回呼函式，直到用戶將定時器停止或者洗掉，否則將永遠執行下去，

2.3.2、軟體定時器作業機制

AliOS Things軟體定時器模塊維護著三個重要的全域變數：

1. 當前系統經過的tick時間g_tick_count（當硬體定時器中斷來臨時，它將加1），
2. 定時器鏈表g_timer_head，系統新創建并激活開始運行的定時器都會以超過時間排序的方式插g_timer_head鏈表中，
3. 定時器事件佇列g_timer_queue，它是一個訊息佇列buf_queue，系統中所有軟體定時器的開始、停止、改變引數、洗掉等事件都會發送到這個定時器事件佇列中依次得到處理，

如圖所示：

假設系統當前的tick值為30，在當前系統中已經創建并啟動了3個定時器，分別是定時時間為50個tick的timer1、100個tick的time2和500個tick的timer3，這3個定時器分別加上系統當前時間g_tick_count=50，按照從小到大的順序鏈接在g_timer_head鏈表中，形成如下圖所示的定時器鏈表結構，

同時，g_tick_count隨著硬體定時器的觸發一直在增長（每次硬體定時器中斷來臨時，g_tick_count加1），50個tick以后，g_tick_count從30增長到80，與timer1的timeout值相等，這時會觸發與timer1定時器相關聯的超時處理函式，同時將timer1從g_timer_head鏈表上洗掉，同理，100個tick和500個tick過去后，與timer2和timer3定時器相關聯的超時處理函式會被觸發，接著將timer2和timer定時器從g_timer_head鏈表中洗掉，

如果系統當前定時器狀態在10個tick后（g_tick_count=40）有一個任務新創建了一個tick值為300的timer4定時器，定時器事件佇列g_timer_queue會收到這個并處理這個定時器新創建的事件，由于timer4定時器的timerout=40+300=340,因此它將被按序插入到timer2和timer3定時器中間，形成如下圖所示的鏈表結構，

2.3.3、AliOS Things軟體定時器任務

AliOS Thing會在kernel初始化的時候，創建一個優先級相對較高的軟體定時器任務timer_task，這是AliOS Thing軟體定時器的主處理任務，可以及時處理定時器事件，流程如下：

2.4、軟體定時器使用方法

上節介紹了AliOS Things軟體定時器，并對定時器的作業機制進行了介紹，本節將深入介紹定時器的各個介面，幫助用戶在代碼層次上理解AliOS Things軟體定時器，

相應的API介面匯總如下：

下面具體介紹這些介面的使用，

2.4.1、軟體定時器模塊初始化

使用軟體定時器timer模塊，在系統啟動時需要初始化定時器管理系統，可以通過下面的介面完成：

void  ktimer_init(void)

此介面主要完成三個作業：

1. 初始化timer佇列g_timer_head；
2. 初始化timer定時器管理buffer佇列g_timer_queue；
3. 創建定時器基本處理任務g_timer_task，

2.4.2、軟體定時器的創建和洗掉

int aos_timer_new(aos_timer_t *timer,void (*fn)(void *, void *),

void *arg, int ms, int repeat)

呼叫該介面后，內核首先次從動態記憶體堆中分配一個定時器控制塊，然后對該控制塊進行基本的初始化，其中的各引數和回傳值說明見下表，

系統不再使用軟體定時器時，可使用下面的函式介面，

呼叫該介面后，系統會把定時器從g_timer_head鏈表中洗掉，然后釋放相應的定時器控制塊，其中的各引數和回傳值說明見下表，

2.4.3、軟體定時器的啟動和停止

如果使用aos_timer_new_ext創建了定時器，沒有啟動定時器，需要在主動呼叫啟動定時器函式介面后才能開始作業，啟動定時器介面如下：

int aos_timer_start(aos_timer_t *timer)

引數描述如下表

啟動定時器后，如果要停止它，可以使用下面的函式介面：

int aos_timer_stop(aos_timer_t *timer)

引數描述如下表

2.4.4、軟體定時器的控制

AliOS Things還提供了修改定時器引數的介面

int aos_timer_change(aos_timer_t *timer, int ms)

引數描述如下表

注意：需要在定時器處于未啟動狀態時才能修改，

3、總結

AliOS Things的定時器管理包括了硬體定時器（時鐘節拍心跳機制）和軟體定時器管理，其中，軟體定時器的作業機制，是將所有定時器的callback事件、定時器的管理事件（創建、啟動、停止、洗掉、改變引數）都通過內置的g_timer_queue 發送到后臺的高優先級任務timer_task中去執行，

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