15、FreeRTOS 软件定时器

文章目录

一、什么是定时器?
- 1.1 定时器的理解
- 1.2 软件定时器的特性
二、软件定时器的上下文
- 2.1 守护任务
- 2.2 守护任务的调度
- 2.3 回调函数
三、软件定时器的函数
- 3.1 创建
- 3.2 删除
- 3.3 启动/停止
- 3.5 修改周期
- 3.6 定时器ID
四、案例
- 4.1 一般使用
- 4.2 消除抖动

一、什么是定时器?

1.1 定时器的理解

简单可以理解为闹钟，到达指定一段时间后，就会响铃。

STM32 芯片自带硬件定时器，精度较高，达到定时时间后会触发中断，也可以生成 PWM 、输入捕获、输出比较，等等，功能强大，但是由于硬件的限制，个数有限。

软件定时器也可以实现定时功能，达到定时时间后可调用回调函数，可以在回调函数里处理信息。

你可以设置闹钟

在30分钟后让你起床工作
每隔1小时让你例行检查机器运行情况

软件定时器也可以完成两类事情：

在"未来"某个时间点，运行函数
周期性地运行函数

日常生活中我们可以定无数个"闹钟"，这无数的"闹钟"要基于一个真实的闹钟。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)。

1.2 软件定时器的特性

我们在手机上添加闹钟时，需要指定时间、指定类型(一次性的，还是周期性的)、指定做什么事；还有一些过时的、不再使用的闹钟。

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

定时器运行情况示例如下：

Timer1：它是一次性的定时器，在t1启动，周期是6个Tick。经过6个tick后，在t7执行回调函数。它的回调函数只会被执行一次，然后该定时器进入冬眠状态。
Timer2：它是自动加载的定时器，在t1启动，周期是5个Tick。每经过5个tick它的回调函数都被执行，比如在t6、t11、t16都会执行

在这里插入图片描述

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RTOS，它不允许在内核、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，FreeRTOS中，不在Tick中断中执行定时器函数。

在哪里执行？

在某个任务里执行，这个任务就是：RTOS Damemon Task，RTOS守护任务。以前被称为 "Timer server"，但是这个任务要做并不仅仅是定时器相关，所以改名为：RTOS Damemon Task。

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"tX-t4"，从 xTimerStart() 函数被调用时算起。

在这里插入图片描述

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

定时器的回调函数的原型如下：

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，定时器的回调函数不要影响其他人：

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

要使用定时器，需要先创建它，得到它的句柄。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：

/* 使用动态分配内存的方法创建定时器
* pcTimerName:定时器名字, 用处不大, 尽在调试时用到
* 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
*/
TimerHandle_t xTimerCreate( const char * const pcTimerName,const TickType_t xTimerPeriodInTicks,const UBaseType_t uxAutoReload,void * const pvTimerID,TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction );
/* 使用静态分配内存的方法创建定时器
回调函数的类型是：
10.3.2 删除
动态分配的定时器，不再需要时可以删除掉以回收内存。删除函数原型如下：
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。
10.3.3 启动/停止
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。
涉及的函数原型如下：
* pcTimerName:定时器名字, 用处不大, 尽在调试时用到
* 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
*/
TimerHandle_t xTimerCreateStatic(const char * const pcTimerName,TickType_t xTimerPeriodInTicks,UBaseType_t uxAutoReload,void * pvTimerID,TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction,StaticTimer_t *pxTimerBuffer );

回调函数的类型是：

void ATimerCallback( TimerHandle_t xTimer );
typedef void (* TimerCallbackFunction_t)( TimerHandle_t xTimer );

3.2 删除

动态分配的定时器，不再需要时可以删除掉以回收内存。删除函数原型如下：

/* 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

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。涉及的函数原型如下：

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

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。 xTicksToWait 不是定时器本身的超时时间，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。

3.4 复位

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

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。

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 );

四、案例

4.1 一般使用

要使用定时器，需要做些准备工作：

/* 1. 工程中 */
添加 timer.c
/* 2. 配置文件FreeRTOSConfig.h中 */
#define configUSE_TIMERS 				1 /* 使能定时器 */
#define configTIMER_TASK_PRIORITY 		31 /* 守护任务的优先级, 尽可能高一些 */
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH 		5 /* 命令队列长度 */
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH 	32 /* 守护任务的栈大小 */
/* 3. 源码中 */
#include "timers.h"

main函数中创建、启动了2个定时器：一次性的、周期

static volatile uint8_t flagONEShotTimerRun = 0;
static volatile uint8_t flagAutoLoadTimerRun = 0;
static void vONEShotTimerFunc( TimerHandle_t xTimer );
static void vAutoLoadTimerFunc( TimerHandle_t xTimer );
/*-----------------------------------------------------------*/
##define mainONE_SHOT_TIMER_PERIOD pdMS_TO_TICKS( 10 )
##define mainAUTO_RELOAD_TIMER_PERIOD pdMS_TO_TICKS( 20 )
int main( void )
{TimerHandle_t xOneShotTimer;TimerHandle_t xAutoReloadTimer;prvSetupHardware();xOneShotTimer = xTimerCreate("OneShot", /* 名字, 不重要 */mainONE_SHOT_TIMER_PERIOD, /* 周期 */pdFALSE, /* 一次性 */0, /* ID */vONEShotTimerFunc /* 回调函数 */);xAutoReloadTimer = xTimerCreate("AutoReload", /* 名字, 不重要 */mainAUTO_RELOAD_TIMER_PERIOD, /* 周期 */pdTRUE, /* 自动加载 */0, /* ID */vAutoLoadTimerFunc /* 回调函数 */);if (xOneShotTimer && xAutoReloadTimer){/* 启动定时器 */xTimerStart(xOneShotTimer, 0);xTimerStart(xAutoReloadTimer, 0);/* 启动调度器 */vTaskStartScheduler();}/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}

这两个定时器的回调函数比较简单：

static void vONEShotTimerFunc( TimerHandle_t xTimer )
{static int cnt = 0;flagONEShotTimerRun = !flagONEShotTimerRun;printf("run vONEShotTimerFunc %d\r\n", cnt++);
}
static void vAutoLoadTimerFunc( TimerHandle_t xTimer )
{static int cnt = 0;flagAutoLoadTimerRun = !flagAutoLoadTimerRun;printf("run vAutoLoadTimerFunc %d\r\n", cnt++);
}

逻辑分析仪如下图所示：

在这里插入图片描述

运行结果如下图所示：

在这里插入图片描述

4.2 消除抖动

在嵌入式开发中，我们使用机械开关时经常碰到抖动问题：引脚电平在短时间内反复变化。

怎么读到确定的按键状态？

连续读很多次，知道数值稳定：浪费CPU资源
使用定时器：要结合中断来使用

对于第2种方法，处理方法如下图所示，按下按键后：

在t1产生中断，这时不马上确定按键，而是复位定时器，假设周期时20ms，超时时间为"t1+20ms"
由于抖动，在t2再次产生中断，再次复位定时器，超时时间变为"t2+20ms"
由于抖动，在t3再次产生中断，再次复位定时器，超时时间变为"t3+20ms"
在"t3+20ms"处，按键已经稳定，读取按键值

main 函数中创建了一个一次性的定时器，从来处理抖动；创建了一个任务，用来模拟产生抖动。代码如下：

/*-----------------------------------------------------------*/
static void vKeyFilteringTimerFunc( TimerHandle_t xTimer );
void vEmulateKeyTask( void *pvParameters );
static TimerHandle_t xKeyFilteringTimer;
/*-----------------------------------------------------------*/
#define KEY_FILTERING_PERIOD pdMS_TO_TICKS( 20 )
int main( void )
{prvSetupHardware();xKeyFilteringTimer = xTimerCreate("KeyFiltering", /* 名字, 不重要 */KEY_FILTERING_PERIOD, /* 周期 */pdFALSE, /* 一次性 */0, /* ID */vKeyFilteringTimerFunc /* 回调函数 */);/* 在这个任务中多次调用xTimerReset来模拟按键抖动 */xTaskCreate( vEmulateKeyTask, "EmulateKey", 1000, NULL, 1, NULL );/* 启动调度器 */vTaskStartScheduler();/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}

模拟产生按键：每个循环里调用3次xTimerReset，代码如下：

void vEmulateKeyTask( void *pvParameters )
{int cnt = 0;const TickType_t xDelayTicks = pdMS_TO_TICKS( 200UL );for( ;; ){/* 模拟按键抖动, 多次调用xTimerReset */xTimerReset(xKeyFilteringTimer, 0); cnt++;xTimerReset(xKeyFilteringTimer, 0); cnt++;xTimerReset(xKeyFilteringTimer, 0); cnt++;printf("Key jitters %d\r\n", cnt);vTaskDelay(xDelayTicks);}
}

定时器回调函数代码如下：

static void vKeyFilteringTimerFunc( TimerHandle_t xTimer )
{static int cnt = 0;printf("vKeyFilteringTimerFunc %d\r\n", cnt++);
}

在人户函数中多次调用xTimerReset，只触发1次定时器回调函数，运行结果如下图所示：

在这里插入图片描述

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