FreeRTOS从入门到精通 第十七章（软件定时器）

参考教程：【正点原子】手把手教你学FreeRTOS实时系统_哔哩哔哩_bilibili

一、软件定时器简介

1、定时器的概念与种类

（1）定时器的概念：从指定的时刻开始，经过一个指定时间，然后触发一个超时事件，用户可自定义定时器的周期。

（2）定时器的种类：

①硬件定时器：芯片本身自带的定时器模块，硬件定时器的精度一般很高，每次在定时时间到达之后就会自动触发一个中断，用户在中断服务函数中处理信息。

②软件定时器：具有定时功能的软件，可设置定时周期，当指定时间到达后要调用回调函数（也称超时函数），用户在回调函数中处理信息。

2、软件定时器的优缺点

（1）优点：硬件定时器数量有限，而软件定时器理论上只需有足够内存，就可以创建多个，且使用简单、成本低。

（2）缺点：软件定时器相对硬件定时器来说，精度没有那么高（因为它以系统时钟为基准，系统时钟中断优先级又是最低，容易被打断），对于需要高精度要求的场合，不建议使用软件定时器。

3、FreeRTOS软件定时器

（1）FreeRTOS软件定时器的特点：

①软件定时器是可裁剪可配置的功能，如果要使能软件定时器，需将configUSE_TIMERS配置项配置成1。

②软件定时器支持设置成单次定时器或周期定时器。

（2）软件定时器的超时回调函数是由软件定时器服务任务调用的，软件定时器的超时回调函数本身不是任务，因此不能在该回调函数中使用可能会导致任务阻塞的API函数。

（3）在调用函数vTaskStartScheduler开启任务调度器的时候，会创建一个用于管理软件定时器的任务，这个任务就叫做软件定时器服务任务，其作用有：

①负责软件定时器超时的逻辑判断。

②调用超时软件定时器的超时回调函数。

③处理软件定时器命令队列。

（4）FreeRTOS提供了许多软件定时器相关的API函数，这些API函数大多都是往定时器的队列中写入消息（发送命令），这个队列叫做软件定时器命令队列，是提供给FreeRTOS中的软件定时器使用的，用户是不能直接访问的。

（5）软件定时器的相关配置：

①当FreeRTOS的配置项configUSE_TIMERS设置为1，在启动任务调度器时，会自动创建软件定时器的服务/守护任务prvTimerTask。

②软件定时器服务任务的优先级configTIMER_TASK_PRIORITY需配置为31（最高）。

③定时器的命令队列长度configTIMER_QUEUE_LENGTH需配置为5。

（6）软件定时器的超时回调函数是在软件定时器服务任务中被调用的，服务任务不是专为某个定时器服务的，它还要处理其它定时器，以下是回调函数的一些注意事项：

①回调函数要尽快实行，不能进入阻塞状态，即不能调用那些可能会阻塞任务的API函数。

②访问队列或者信号量的非零阻塞时间的API函数也不能调用。

（7）软件定时器共有两种状态：

①休眠态：软件定时器可以通过其句柄被引用，但因为没有运行，所以其定时超时回调函数不会被执行。（新创建的软件定时器处于休眠状态，也就是未运行的）

②运行态：运行态的定时器，当指定时间到达之后，它的超时回调函数会被调用。

（8）FreeRTOS提供了两种软件定时器：

①单次定时器：单次定时器一旦定时超时，只会执行一次其软件定时器超时回调函数，不会自动重新开启定时，不过可以被手动重新开启。

②周期定时器：周期定时器一旦启动以后就会在执行完回调函数以后自动地重新启动，从而周期地执行其软件定时器回调函数。

（9）软件定时器的状态转换图：

①单次定时器状态转换图：

②周期定时器状态转换图：

二、FreeRTOS软件定时器的结构体与相关API函数

1、软件定时器结构体成员介绍

typedef  struct
{const char * 				pcTimerName			//软件定时器名字ListItem_t 				xTimerListItem		//软件定时器列表项TickType_t 				xTimerPeriodInTicks;  //软件定时器的周期  void * 					pvTimerID			//软件定时器的IDTimerCallbackFunction_t	pxCallbackFunction; 	//软件定时器的回调函数#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )UBaseType_t 			uxTimerNumber		//软件定时器的编号，调试用#endifuint8_t 					ucStatus;             //软件定时器的状态
}xTIMER;

2、软件定时器相关API函数

（1）软件定时器相关API函数概览：

函数

描述

xTimerCreate()

动态方式创建软件定时器

xTimerCreateStatic()

静态方式创建软件定时器

xTimerStart()

开启软件定时器定时

xTimerStartFromISR()

在中断中开启软件定时器定时

xTimerStop()

停止软件定时器定时

xTimerStopFromISR()

在中断中停止软件定时器定时

xTimerReset()

复位软件定时器定时

xTimerResetFromISR()

在中断中复位软件定时器定时

xTimerChangePeriod()

更改软件定时器的定时超时时间

xTimerChangePeriodFromISR()

在中断中更改定时超时时间

（2）xTimerCreate函数：

①函数定义：

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

②函数参数：

形参 

描述

pcTimerName 

软件定时器名

xTimerPeriodInTicks 

定时超时时间，单位：系统时钟节拍

uxAutoReload 

定时器模式， pdTRUE：周期定时器， pdFALSE：单次定时器

pvTimerID 

软件定时器 ID，用于多个软件定时器公用一个超时回调函数

pxCallbackFunction 

软件定时器超时回调函数

③返回值：

形参 

描述

NULL 

软件定时器创建失败

其它值 

软件定时器创建成功，返回其句柄

（3）xTimerStart函数：

①函数定义：

BaseType_t xTimerStart
(TimerHandle_t 	xTimer,const TickType_t 	xTicksToWait
);

②函数参数：

形参 

描述

xTimer 

待开启的软件定时器的句柄

xTickToWait 

发送命令到软件定时器命令队列的最大等待时间

③返回值：

形参 

描述

pdPASS 

软件定时器开启成功

pdFAIL 

软件定时器开启失败

（4）xTimerStop函数：

①函数定义：

BaseType_t xTimerStop
(TimerHandle_t 	xTimer,const TickType_t 	xTicksToWait
);

②函数参数：

形参 

描述

xTimer 

待停止的软件定时器的句柄

xTickToWait 

发送命令到软件定时器命令队列的最大等待时间

③返回值：

形参 

描述

pdPASS 

软件定时器停止成功

pdFAIL 

软件定时器停止失败

（5）xTimerReset函数：

①函数定义：

BaseType_t  xTimerReset
(TimerHandle_t 	xTimer,const TickType_t 	xTicksToWait
);  //复位后的软件定时器以复位时的时刻作为开启时刻重新定时

②函数参数：

形参 

描述

xTimer 

待复位的软件定时器的句柄

xTickToWait 

发送命令到软件定时器命令队列的最大等待时间

③返回值：

形参 

描述

pdPASS 

软件定时器复位成功

pdFAIL 

软件定时器复位失败

（6）xTimerChangePeriod函数：

①函数定义：

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

②函数参数：

形参 

描述

xTimer 

待更新的软件定时器的句柄

xNewPeriod

新的定时超时时间，单位：系统时钟节拍

xTickToWait 

发送命令到软件定时器命令队列的最大等待时间

③返回值：

形参 

描述

pdPASS 

软件定时器定时超时时间更改成功

pdFAIL 

软件定时器定时超时时间更改失败

3、xTimerCreateTimerTask创建软件定时器任务函数内核代码剖析

（1）xTimerCreateTimerTask函数本身：

BaseType_t xTimerCreateTimerTask( void )
{BaseType_t xReturn = pdFAIL;traceENTER_xTimerCreateTimerTask();prvCheckForValidListAndQueue();  //创建当前软件定时器列表和溢出软件定时器列表及命令队列if( xTimerQueue != NULL ){#if ((configNUMBER_OF_CORES >1) && (configUSE_CORE_AFFINITY ==1)){#if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION ==1){StaticTask_t * pxTimerTaskTCBBuffer = NULL;StackType_t * pxTimerTaskStackBuffer = NULL;configSTACK_DEPTH_TYPE uxTimerTaskStackSize;vApplicationGetTimerTaskMemory( &pxTimerTaskTCBBuffer, &pxTimerTaskStackBuffer, &uxTimerTaskStackSize );xTimerTaskHandle = xTaskCreateStaticAffinitySet( prvTimerTask,configTIMER_SERVICE_TASK_NAME,uxTimerTaskStackSize,NULL,((UBaseType_t) configTIMER_TASK_PRIORITY)| portPRIVILEGE_BIT,pxTimerTaskStackBuffer,pxTimerTaskTCBBuffer,configTIMER_SERVICE_TASK_CORE_AFFINITY );if( xTimerTaskHandle != NULL ){xReturn = pdPASS;}}#else /* if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) */{//创建软件定时器服务任务xReturn = xTaskCreateAffinitySet( prvTimerTask,configTIMER_SERVICE_TASK_NAME,configTIMER_TASK_STACK_DEPTH,NULL,((UBaseType_t)configTIMER_TASK_PRIORITY )| portPRIVILEGE_BIT,configTIMER_SERVICE_TASK_CORE_AFFINITY,&xTimerTaskHandle );}#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */}#else /* #if ( ( configNUMBER_OF_CORES > 1 ) && ( configUSE_CORE_AFFINITY == 1 ) ) */{#if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ){StaticTask_t * pxTimerTaskTCBBuffer = NULL;StackType_t * pxTimerTaskStackBuffer = NULL;configSTACK_DEPTH_TYPE uxTimerTaskStackSize;vApplicationGetTimerTaskMemory( &pxTimerTaskTCBBuffer, &pxTimerTaskStackBuffer, &uxTimerTaskStackSize );xTimerTaskHandle = xTaskCreateStatic( prvTimerTask,configTIMER_SERVICE_TASK_NAME,uxTimerTaskStackSize,NULL,((UBaseType_t)configTIMER_TASK_PRIORITY )| portPRIVILEGE_BIT,pxTimerTaskStackBuffer,pxTimerTaskTCBBuffer );if( xTimerTaskHandle != NULL ){xReturn = pdPASS;}}#else /* if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) */{xReturn = xTaskCreate( prvTimerTask,configTIMER_SERVICE_TASK_NAME,configTIMER_TASK_STACK_DEPTH,NULL,((UBaseType_t)configTIMER_TASK_PRIORITY) | portPRIVILEGE_BIT,&xTimerTaskHandle );}#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */}#endif /* #if ( ( configNUMBER_OF_CORES > 1 ) && ( configUSE_CORE_AFFINITY == 1 ) ) */}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}configASSERT( xReturn );traceRETURN_xTimerCreateTimerTask( xReturn );return xReturn;
}

（2）prvCheckForValidListAndQueue函数：负责创建当前软件定时器列表和溢出软件定时器列表及命令队列。

static void prvCheckForValidListAndQueue( void )
{taskENTER_CRITICAL();{if( xTimerQueue == NULL ){vListInitialise( &xActiveTimerList1 );    //初始化定时器列表1vListInitialise( &xActiveTimerList2 );    //初始化定时器列表2pxCurrentTimerList = &xActiveTimerList1;  //将定时器列表1赋给当前软件定时器列表pxOverflowTimerList = &xActiveTimerList2; //将定时器列表2赋给溢出软件定时器列表#if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ){PRIVILEGED_DATA static StaticQueue_t xStaticTimerQueue;PRIVILEGED_DATA static uint8_t ucStaticTimerQueueStorage[ ( size_t ) configTIMER_QUEUE_LENGTH * sizeof( DaemonTaskMessage_t ) ];//创建命令队列xTimerQueue = xQueueCreateStatic( ( UBaseType_t ) configTIMER_QUEUE_LENGTH, ( UBaseType_t ) sizeof( DaemonTaskMessage_t ), &( ucStaticTimerQueueStorage[ 0 ] ), &xStaticTimerQueue );}#else{//创建命令队列xTimerQueue = xQueueCreate( ( UBaseType_t ) configTIMER_QUEUE_LENGTH, ( UBaseType_t ) sizeof( DaemonTaskMessage_t ) );}#endif /* if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) */#if ( configQUEUE_REGISTRY_SIZE > 0 ){if( xTimerQueue != NULL ){vQueueAddToRegistry( xTimerQueue, "TmrQ" );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* configQUEUE_REGISTRY_SIZE */}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}taskEXIT_CRITICAL();
}

（3）prvTimerTask函数：软件定时器服务任务。

static portTASK_FUNCTION( prvTimerTask, pvParameters )
{TickType_t xNextExpireTime;BaseType_t xListWasEmpty;( void ) pvParameters;#if ( configUSE_DAEMON_TASK_STARTUP_HOOK == 1 ){vApplicationDaemonTaskStartupHook();}#endif /* configUSE_DAEMON_TASK_STARTUP_HOOK */for( ; configCONTROL_INFINITE_LOOP(); ){//获取下一个超时的软件定时器xNextExpireTime = prvGetNextExpireTime( &xListWasEmpty );//判断所获得的定时器是否超时，如超时则调用超时回调函数prvProcessTimerOrBlockTask( xNextExpireTime, xListWasEmpty );//接收命令队列的一条命令并执行之prvProcessReceivedCommands();}
}

（4）prvProcessTimerOrBlockTask函数：判断定时器是否超时。

static void prvProcessTimerOrBlockTask( const TickType_t xNextExpireTime,BaseType_t xListWasEmpty )
{TickType_t xTimeNow;BaseType_t xTimerListsWereSwitched;vTaskSuspendAll();{xTimeNow = prvSampleTimeNow( &xTimerListsWereSwitched );if( xTimerListsWereSwitched == pdFALSE ){if( ( xListWasEmpty == pdFALSE ) && ( xNextExpireTime <= xTimeNow ) ) //判断定时器是否超时{( void ) xTaskResumeAll();prvProcessExpiredTimer( xNextExpireTime, xTimeNow );  //超时，调用回调函数}else{if( xListWasEmpty != pdFALSE ){xListWasEmpty = listLIST_IS_EMPTY( pxOverflowTimerList );}vQueueWaitForMessageRestricted( xTimerQueue, ( xNextExpireTime - xTimeNow ), xListWasEmpty );if( xTaskResumeAll() == pdFALSE ){taskYIELD_WITHIN_API();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}}else{( void ) xTaskResumeAll();}}
}

（5）prvProcessExpiredTimer函数：定时器超时后将调用一次该函数。

static void prvProcessExpiredTimer( const TickType_t xNextExpireTime,const TickType_t xTimeNow )
{Timer_t * const pxTimer = ( Timer_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxCurrentTimerList );(void)uxListRemove(&(pxTimer->xTimerListItem));  //将定时器移出软件定时器列表if( ( pxTimer->ucStatus & tmrSTATUS_IS_AUTORELOAD ) != 0U )  //如果是周期定时器列表{prvReloadTimer( pxTimer, xNextExpireTime, xTimeNow ); //将定时器插回软件定时器列表}else{pxTimer->ucStatus &= ( ( uint8_t ) ~tmrSTATUS_IS_ACTIVE ); //将对应位清零}traceTIMER_EXPIRED( pxTimer );pxTimer->pxCallbackFunction( ( TimerHandle_t ) pxTimer );  //调用超时回调函数
}

（6）vQueueWaitForMessageRestricted函数：

void vQueueWaitForMessageRestricted( QueueHandle_t xQueue,TickType_t xTicksToWait,const BaseType_t xWaitIndefinitely )
{Queue_t * const pxQueue = xQueue;traceENTER_vQueueWaitForMessageRestricted( xQueue, xTicksToWait, xWaitIndefinitely );prvLockQueue( pxQueue );if( pxQueue->uxMessagesWaiting == ( UBaseType_t ) 0U )   //判断命令队列的非空闲项数目是否为0{//将软件定时器服务任务挂到等待接收列表vTaskPlaceOnEventListRestricted( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ), xTicksToWait, xWaitIndefinitely );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}prvUnlockQueue( pxQueue );traceRETURN_vQueueWaitForMessageRestricted();
}

三、FreeRTOS软件定时器实验

1、原理图与实验目标

（1）原理图：

（2）实验目标：

①设计2个任务——start_task、task1：

[1]start_task：用于创建task1任务，创建两个定时器并启动之（分别为单次和周期型，其回调函数中分别需要翻转LED1和LED2的状态）。

[2]task1：用于按键扫描，并对两个软件定时器进行开启、停止操作，按下按键1即开始两个软件定时器，按下按键2反之。

②预期实验现象：

[1]程序下载到板子上后，LED1灯状态仅变更一次，LED2灯持续闪烁。

[2]按下按键1，LED1和LED2状态冻结。

[3]按下按键2，LED1灯状态仅变更一次，LED2恢复持续闪烁。

2、实验步骤

（1）将“任务创建和删除的动态方法实验”的工程文件夹复制一份，在拷贝版中进行实验。

（2）在FreeRTOSConfig.h文件中将宏configUSE_TIMERS配置为1，将宏configTIMER_TASK_PRIORITY配置为31，将宏configTIMER_QUEUE_LENGTH配置为5，将宏configTIMER_TASK_STACK_DEPTH配置为256。

#define configUSE_TIMERS              1   //使能软件定时器
#define configTIMER_TASK_PRIORITY   31 //软件定时器服务任务的优先级配置为最高
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH   5   //定时器的命令队列长度配置为5
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH  256   //软件定时器服务任务的栈深度

（3）删除FreeRTOS_experiment.c文件中关于task2和task3的内容，在start_task中创建一个单次定时器和周期定时器，并为它们分别编写回调函数，同时更改task1函数的具体实现，然后添加头文件timers.h，如下所示。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "LED.h"
#include "Key.h"
#include "timers.h"//宏定义
#define START_TASK_STACK_SIZE 128   //start_task任务的堆栈大小
#define START_TASK_PRIO       1     //start_task任务的优先级
#define TASK1_STACK_SIZE      128   //task1任务的堆栈大小
#define TASK1_PRIO             2     //task1任务的优先级//任务函数声明
void start_task(void);
void task1(void);//任务句柄
TaskHandle_t start_task_handler;    //start_task任务的句柄
TaskHandle_t task1_handler;       //task1任务的句柄//定时器回调函数
void timer1_callback(TimerHandle_t pxTimer);
void timer2_callback(TimerHandle_t pxTimer);void FreeRTOS_Test(void)
{//创建任务start_taskxTaskCreate((TaskFunction_t)start_task,           //指向任务函数的指针"start_task",                      //任务名字START_TASK_STACK_SIZE,       //任务堆栈大小，单位为字NULL,                           //传递给任务函数的参数START_TASK_PRIO,               //任务优先级(TaskHandle_t *) &start_task_handler  //任务句柄，就是任务的任务控制块);//开启任务调度器vTaskStartScheduler();
}TimerHandle_t timer1_handle;    //单次定时器句柄
TimerHandle_t timer2_handle;    //周期定时器句柄
void start_task(void)
{taskENTER_CRITICAL();//创建任务task1xTaskCreate((TaskFunction_t)task1,             //指向任务函数的指针"task1",                        //任务名字TASK1_STACK_SIZE,           //任务堆栈大小，单位为字NULL,                        //传递给任务函数的参数TASK1_PRIO,                  //任务优先级(TaskHandle_t *) &task1_handler   //任务句柄，就是任务的任务控制块);//创建单次定时器timer1timer1_handle = xTimerCreate("timer1", 500, pdFALSE, (void *)1, timer1_callback );//创建周期定时器timer2timer2_handle = xTimerCreate("timer2", 1000, pdTRUE, (void *)2, timer2_callback );//启动两个定时器xTimerStart(timer1_handle,portMAX_DELAY);xTimerStart(timer2_handle,portMAX_DELAY);vTaskDelete(NULL);taskEXIT_CRITICAL();
}void task1(void)
{uint8_t key = 0;while(1) {key = Key_GetNum();if(key == 1){xTimerStart(timer1_handle,portMAX_DELAY);xTimerStart(timer2_handle,portMAX_DELAY);}else if(key == 2){xTimerStop(timer1_handle,portMAX_DELAY);xTimerStop(timer2_handle,portMAX_DELAY);}vTaskDelay(10);}
}/* timer1的超时回调函数 */
void timer1_callback( TimerHandle_t pxTimer )
{LED1_Turn();
}/* timer2的超时回调函数 */
void timer2_callback( TimerHandle_t pxTimer )
{LED2_Turn();
}

（4）程序完善好后点击“编译”，然后将程序下载到开发板上。

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一、在OpenEuler上搭建Java运行环境 在OpenEuler上搭建Java运行环境可以通过以下几种常见方式&#xff0c;下面分别介绍基于包管理器安装OpenJDK和手动安装Oracle JDK的步骤。 使用包管理器安装OpenJDK OpenJDK是Java开发工具包的开源实现&#xff0c;在OpenEuler上可以方便…
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