FreeRTOS——软件定时器（基于百问网FreeRTOS教学视频）

最新推荐文章于 2025-01-10 21:48:39 发布

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分类专栏： FreeRTOS 文章标签：单片机 stm32 c语言

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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)。

一、定时器的特性

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。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。

二、软件定时器的上下文

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是实时操作系统，不允许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，所以在FreeRTOS中，不在Tick中断中执行定时器函数。在RTOS守护任务（RTOS Damemon Task）中执行。

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：

在这里插入图片描述

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。

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"tXt4"，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"。

2.3 回调函数

函数原型：

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，调用定时器的回调函数有要求：

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。

三、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：
在这里插入图片描述

3.1 创建函数

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：

动态分配内存方式创建：

TimerHandle_t xTimerCreate( const char * const pcTimerName, 
 				const TickType_t xTimerPeriodInTicks, 
 				const UBaseType_t uxAutoReload, 
                void * const pvTimerID, 
                TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction );

参数说明：

参数	说明
pcTimerName	定时器名字, 用处不大, 仅在调试时用到
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

示例：

	/* 创建定时器 */
	g_TimerSound = xTimerCreate(g_TimerSound,200,pdFALSE,NULL,GameSoundTimer_Func);

静态分配内存方式原型：

TimerHandle_t xTimerCreateStatic(const char * const pcTimerName, 
					TickType_t xTimerPeriodInTicks, 
					UBaseType_t uxAutoReload, 
					void * pvTimerID, 
					TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction, 
					StaticTimer_t *pxTimerBuffer );

参数说明：

参数	说明
pcTimerName	定时器名字, 用处不大, 仅在调试时用到
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

回调函数的类型是：

typedef void (* TimerCallbackFunction_t)( TimerHandle_t xTimer ); 

void ATimerCallback( TimerHandle_t xTimer );

3.2 删除函数

/* 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。

3.3 启动/停止函数

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。

/* 启动定时器 
 * xTimer: 哪个定时器 
 * xTicksToWait: 超时时间 
 * 返回值: pdFAI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); 

/* 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); 

/* 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(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);

xTicksToWait不是定时器本身的超时时，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。

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。

3.4 复位函数

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);

3.5 修改周期函数

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 );

示例：

    /* 启动定时器 */
    xTimerChangePeriod(g_TimerSound,time_ms,0);

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：
在这里插入图片描述

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 );

参考：
百问网FreeRTOS入门与工程实践-基于STM32