FreeRTOS --- 软件定时器

最新推荐文章于 2025-02-23 15:19:25 发布

从正经走向抽象的派大星

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文章标签：单片机嵌入式硬件 stm32 mcu

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/wallwayj/article/details/143954411

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八、为什么已经有了硬件定时器还要软件定时器

九、总结

在FreeRTOS中，软件定时器（Software Timer） 是一种实现定时操作的机制。软件定时器允许任务在指定时间间隔后执行特定的回调函数，而无需任务一直占用CPU资源。这种定时器完全基于软件实现，并由FreeRTOS的调度器管理。

硬件定时器：由芯片内部提供，通常用于高精度场景，通过中断处理定时事件。

软件定时器：基于软件模拟定时功能，依赖系统时钟（Tick），适用于需要大量定时器的场景。

一、软件定时器的特点

完全基于软件：不依赖硬件定时器，由FreeRTOS管理和调度。
精度依赖系统节拍：软件定时器的精度取决于系统的Tick频率。
定时器任务独立：定时器的回调函数在FreeRTOS专用的定时器服务任务中执行，不干扰普通任务。
单次和周期性：支持一次性触发和周期性触发两种模式。
低功耗支持：在低功耗模式中，FreeRTOS会结合Tickless模式使软件定时器的精度尽可能高。

二、软件定时器的应用场景

周期性任务：如定时采集传感器数据、定时刷新显示屏。
一次性延时：如延时启动某功能。
超时处理：如通信超时、用户输入超时检测。
简化任务逻辑：避免任务中直接使用延时或循环检查，提高代码可读性。

三、软件定时器的基本概念

定时器句柄：TimerHandle_t 是软件定时器的句柄，用于标识特定的定时器。
定时器周期：定时器的时间间隔，以系统Tick为单位（可以用 pdMS_TO_TICKS() 转换为毫秒）。
定时器回调函数：当定时器触发时，FreeRTOS会调用用户定义的回调函数。
一次性和周期性定时器：
- 一次性定时器：触发后自动停止。
- 周期性定时器：每隔固定时间触发，直到显式停止。

四、软件定时器的相关API

1.创建定时器 刚创建的软件定时器默认处于休眠态，不会触发回调函数。可通过 xTimerStart() 启动。

TimerHandle_t xTimerCreate(
const char *const pcTimerName, // 定时器名称（调试用）
const TickType_t xTimerPeriod, // 定时器周期（Tick数）
const UBaseType_t uxAutoReload, // 周期性定时器：pdTRUE；一次性定时器：pdFALSE
void *const pvTimerID, // 定时器ID，用户自定义数据
TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction // 回调函数
);

返回值：成功返回定时器句柄，失败返回 NULL。

2.启动定时器

BaseType_t xTimerStart(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait);

参数：xTimer：定时器句柄。ksToWait：阻塞等待时间。

返回值：pdPASS 表示启动成功，pdFAIL 表示失败。

3.停止定时器

BaseType_t xTimerStop(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait);

参数：xTimer：定时器句柄。ksToWait：阻塞等待时间。

4.重启定时器

BaseType_t xTimerStop(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait);

参数：xTimer：定时器句柄。ksToWait：阻塞等待时间。

5.修改定时器周期

BaseType_t xTimerChangePeriod(
TimerHandle_t xTimer,
TickType_t xNewPeriod,
TickType_t xTicksToWait
);

参数：xTimer：定时器句柄。xNewPeriod：新周期。ksToWait：阻塞等待时间。

6.删除定时器

BaseType_t xTimerDelete(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait);

参数：xTimer：定时器句柄。ksToWait：阻塞等待时间。

7.回调函数在定时器触发时调用。其原型如下：

void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) { // 定时器触发后的处理逻辑 }

参数 xTimer 是触发回调的定时器句柄，可以通过它获取定时器相关信息。

8.软件定时器的工作流程

创建定时器：使用 xTimerCreate() 函数创建一个定时器，并指定其触发周期和回调函数。
启动定时器：调用 xTimerStart() 启动定时器。
定时器到期：在定时器的周期到期时，FreeRTOS会自动调用回调函数。
停止或重启定时器：根据应用需求，调用 xTimerStop() 或 xTimerReset() 控制定时器。

五、软件定时器的优缺点

优点：

节省硬件资源：多个定时器共享系统Tick，无需硬件定时器支持。
灵活性高：支持大量定时器，只需内存足够即可。可以动态调整定时器的周期和行为。
任务间解耦：通过回调函数处理定时器事件，简化任务逻辑。
易于实现：不需要额外的硬件资源。

缺点：

依赖系统Tick：定时器精度受系统Tick频率限制，Tick太长会降低精度。
占用CPU时间：当定时器服务任务频繁执行时，会占用CPU资源。
受调度影响：系统优先级较低的任务可能会推迟回调函数的执行。

六、软件定时器整体流程

创建列表与队列：
- 初始化定时器列表：
  
  vListInitialise( &xActiveTimerList1 ); vListInitialise( &xActiveTimerList2 );
- 创建定时器命令队列：
  
  xTimerQueue = xQueueCreate();
启动任务调度器：

vTaskStartScheduler();
创建定时器服务任务：定时器服务任务是专门处理软件定时器逻辑的任务，在调度器启动时被创建：

xTimerCreateTimerTask();
软件定时器启动：
- 使用 xTimerStart() 启动计时。
- 定时器通过命令队列与服务任务交互。
定时器超时逻辑：
- 服务任务判断定时器是否超时：
  
  prvGetNextExpireTime();
- 若超时，调用用户定义的回调函数。
定时器命令处理：
- 添加、停止、复位等操作通过命令队列实现：
  
  prvProcessTimerOrBlockTask(); prvProcessReceivedCommands();

七、使用示例

周期性定时器示例：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"

// 定时器回调函数
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) {
    printf("Timer Callback Triggered\n");
}

int main(void) {
    // 创建周期性定时器，周期为1000ms
    TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate(
        "PeriodicTimer",          // 名称
        pdMS_TO_TICKS(1000),      // 周期
        pdTRUE,                   // 周期性
        NULL,                     // 定时器ID
        vTimerCallback            // 回调函数
    );

    if (xTimer != NULL) {
        // 启动定时器
        xTimerStart(xTimer, 0);
    }

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    for (;;);
}

单次定时器示例：

TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate(
    "OneShotTimer",
    pdMS_TO_TICKS(5000), // 5秒超时
    pdFALSE,             // 单次定时器
    NULL,
    vTimerCallback
);
xTimerStart(xTimer, 0); // 启动定时器