FreeRTOS系列|软件定时器

作者：安迪西嵌入式

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软件定时器

MCU一般都自带定时器，属于硬件定时器，但是不同的MCU其硬件定时器数量不同，有时需要考虑成本的问题。在硬件定时器不够用的时候，FreeRTOS也提供了定时器功能，不过是属于软件定时器，其定时精度没有硬件定时器高，但是对于精度要求不高的周期性任务也足够了

1. 软件定时器介绍

软件定时器允许设置一段时间，当设置的时间到达之后就会执行回调函数。软件定时器的回调函数是在定时器服务任务中执行的，因此不能在回调函数中调用会阻塞任务的API函数

定时器是一个可选的、不属于FreeRTOS内核的功能，是由定时器服务任务来提供的。定时器相关API函数大多是使用定时器命令队列发送命令给定时器服务任务的，用户不能直接访问该命令队列

如上图示，定时器命令队列将用户应用任务和定时器服务任务连接在一起。用户应用程序调用了函数xTimerReset()，其结果是复位命令会被发送到定时器命令队列中，再由定时器服务任务来处理这个命令

软件定时器分为两种：单次定时器和周期定时器。单次定时器在定时时间到了后执行一次回调函数就会停止运行；周期定时器一旦启动就会周期性的执行回调函数

定时器的相关配置

configUSE_TIMERS 宏置1：自动创建定时器服务任务

configTIMER_TASK_PRIORITY：软件定时器服务任务的任务优先级

configTIMER_QUEUE_LENGTH：设置定时器命令队列的队列长度

configTIMER_TASK_STACK_DEPTH：设置定时器服务任务的任务堆栈大小

FreeRTOS启动调度器的时候会自动创建定时器服务任务，其源码如下所示：

BaseType_t xTimerCreateTimerTask( void ){
  BaseType_t xReturn = pdFAIL;
  /* 检查软件定时器列表和队列,若没有创建内存空间则新建	*/
  prvCheckForValidListAndQueue();
  if( xTimerQueue != NULL ){
	#if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
	{
	  /*****此处省略静态创建代码*****/
	}
	#else
	{
	  /* 为了满足软件定时器的实时性，软件定时器任务的优先级设置为最大值 */
	  xReturn = xTaskCreate(prvTimerTask,
	       "Tmr Svc",
			configTIMER_TASK_STACK_DEPTH,
			NULL,
		((UBaseType_t)configTIMER_TASK_PRIORITY)|portPRIVILEGE_BIT,
			&xTimerTaskHandle);
		}
	#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
  }
  else{
	mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
  }
  configASSERT( xReturn );
  return xReturn;
}
/* 检查软件定时器列表和队列 */
static void prvCheckForValidListAndQueue( void ){
  taskENTER_CRITICAL();
  {
	/* 若队列为空，则进行列表的初始化和队列的创建 */
	if( xTimerQueue == NULL ){
	  vListInitialise( &xActiveTimerList1 );
	  vListInitialise( &xActiveTimerList2 );
	  pxCurrentTimerList = &xActiveTimerList1;
	  pxOverflowTimerList = &xActiveTimerList2;
	  /* 开始创建消息队列 */
	  #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
	  {
		/*****************************/
		/*****此处省略静态创建代码*****/
		/*****************************/
	  }
	  #else
	  {
		xTimerQueue = xQueueCreate((UBaseType_t)configTIMER_QUEUE_LENGTH, sizeof(DaemonTaskMessage_t));
	  }
	  #endif
	  /*****************************/
	  /*****此处省略部分其他代码*****/
	  /*****************************/
	}
	else
	{
	  mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
	}
  }
  taskEXIT_CRITICAL();
}

2. 软件定时器API函数

2.1 复位软件定时器

复位软件定时器，若软件定时器已经启动，则重新计算超时时间；若软件定时器没有启动，则启动软件定时器

/***复位软件定时器，用在任务中***/
BaseType_t xTimerReset(TimerHandle_t xTimer,	//要复位的软件定时器句柄
TickType_t xTicksToWait)	//阻塞时间
/****复位软件定时器，用在中断服务函数中***/
BaseType_t xTimerResetFromISR(TimerHandle_t xTimer, //要复位的软件定时器句柄
BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken) //退出后是否进行任务切换

返回值：定时器复位成功返回pdPASS；失败返回pdFAIL

复位定时器函数是一个宏，最终调用xTimerGenericCommand()函数

#define xTimerReset(xTimer, xTicksToWait) 			\
xTimerGenericCommand((xTimer), 				\
tmrCOMMAND_RESET, 		\
(xTaskGetTickCount()), \
NULL, 					\
xTicksToWait))		\
//参数：1、软件定时器句柄;2、定义Reset编号;3、当前的系统的Tick值;4、null;5、阻塞时间

2.2 创建软件定时器

创建一个软件定时器，并返回一个软件定时器句柄。创建软件定时器后，软件定时器并没有启动

/********************动态创建软件定时器*******************************************/
TimerHandle_t xTimerCreate(char * const pcTimerName,//软件定时器名字
TickType_t xTimerPeriodInTicks,//定时器周期（单位是时钟节拍数）
UBaseType_t uxAutoReload,//定时器模式（单次还是周期）
void * const pvTimerID,//定时器ID号
TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction)//定时器回调函数
/********************静态创建软件定时器*******************************************/
TimerHandle_t xTimerCreateStatic(char * const pcTimerName,//软件定时器名字
TickType_t xTimerPeriodInTicks,//定时器周期（单位是时钟节拍数）
aseType_t uxAutoReload,//定时器模式（单次还是周期）
vid * const pvTimerID,//定时器ID号
imerCallbackFunction_t pxCallbackFunction,//定时器回调函数
taticTimer_t * pxTimerBuffer)//保存定时器结构体

返回值：创建成功返回软件定时器句柄；失败返回NULL

创建软件定时器函数xTimerCreate()的源码分析如下示：

TimerHandle_t xTimerCreate(	const char * const pcTimerName,
	const TickType_t xTimerPeriodInTicks,
	const UBaseType_t uxAutoReload,
	void * const pvTimerID,
	TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction){
  Timer_t *pxNewTimer;
  //动态分配 软件定时器控制块内存空间
  pxNewTimer = ( Timer_t * ) pvPortMalloc( sizeof( Timer_t ) );
  if( pxNewTimer != NULL ){
	//进入控制初始化
	prvInitialiseNewTimer( pcTimerName, xTimerPeriodInTicks, uxAutoReload, pvTimerID, pxCallbackFunction, pxNewTimer );
  }
  return pxNewTimer;
}
	
static void prvInitialiseNewTimer(const char * const pcTimerName,
const TickType_t xTimerPeriodInTicks,
const UBaseType_t uxAutoReload,
void * const pvTimerID,
  TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction,
  Timer_t *pxNewTimer){
  /* 0 is not a valid value for xTimerPeriodInTicks. */
  configASSERT( ( xTimerPeriodInTicks > 0 ) );
  if( pxNewTimer != NULL ){
	/* 再次判断是否已经创建 队列 初始化了列表 */
	prvCheckForValidListAndQueue();
	/* 1、进行软件定时器控制块信息的赋值	2、把当前软件定时器列表项初始化，便于以后使用*/
	pxNewTimer->pcTimerName = pcTimerName;
	pxNewTimer->xTimerPeriodInTicks = xTimerPeriodInTicks;
	pxNewTimer->uxAutoReload = uxAutoReload;
	pxNewTimer->pvTimerID = pvTimerID;
	pxNewTimer->pxCallbackFunction = pxCallbackFunction;
	vListInitialiseItem( &( pxNewTimer->xTimerListItem ) );
	traceTIMER_CREATE( pxNewTimer );
  }
}

2.3 开启软件定时器

/****************开启软件定时器，用在任务中***********************************/
BaseType_t xTimerStart(TimerHandle_t xTimer,	//要复位的软件定时器句柄
	TickType_t xTicksToWait)	//阻塞时间
/****************开启软件定时器，用在中断服务函数中****************************/
BaseType_t xTimerStartFromISR(TimerHandle_t xTimer, //要复位的软件定时器句柄
	aseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken) //退出后是否进行任务切换
/********************************************************************************/
返回值：定时器开启成功返回pdPASS；失败返回pdFAIL

开始软件定时器函数是一个宏，最终调用xTimerGenericCommand()函数

#define xTimerStart(xTimer, xTicksToWait)           
	TimerGenericCommand((xTimer),              
	COMMAND_START, 		
	xTaskGetTickCount()), 
	ULNL, 					
	(xTicksToWait))        
//参数：1、软件定时器句柄;2、定义Start编号;3、当前的系统的Tick值;4、null;5、阻塞时间

2.4 停止软件定时器

/****************停止软件定时器，用在任务中***********************************/
BaseType_t xTimerStop(TimerHandle_t xTimer,		//要复位的软件定时器句柄
TickType_t xTicksToWait)	//阻塞时间
/****************停止软件定时器，用在中断服务函数中****************************/
BaseType_t xTimerStopFromISR(TimerHandle_t xTimer,  //要复位的软件定时器句柄
BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken) //退出后是否进行任务切换
/********************************************************************************/
返回值：定时器停止成功返回pdPASS；失败返回pdFAIL

停止软件定时器函数是一个宏，最终也是调用xTimerGenericCommand()函数

#define xTimerStop(xTimer, xTicksToWait)            
xTimerGenericCommand((xTimer),              
XmrCOMMAND_STOP, 		
OU, 					
nULL, 					
(xTicksToWait))        
//参数：1、软件定时器句柄;2、定义Stop编号;3、不需要传入消息;4、null;5、阻塞时间

函数xTimerGenericCommand()的源码如下：

BaseType_t xTimerGenericCommand(TimerHandle_t xTimer, 
Const BaseType_t xCommandID,//标识触发的类型
Const TickType_t xOptionalValue,//xTaskGetTickCount
baseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken,
const TickType_t xTicksToWait){
  BaseType_t xReturn = pdFAIL;
  DaemonTaskMessage_t xMessage;
  if( xTimerQueue != NULL ){
	xMessage.xMessageID = xCommandID;
	xMessage.u.xTimerParameters.xMessageValue = xOptionalValue;
	xMessage.u.xTimerParameters.pxTimer = ( Timer_t * ) xTimer;
	/* 判断命令类型 */
	if( xCommandID < tmrFIRST_FROM_ISR_COMMAND ){
	  /* 判断调度器状态 */
	  if( xTaskGetSchedulerState() == taskSCHEDULER_RUNNING ){
		xReturn = xQueueSendToBack(xTimerQueue, &xMessage, xTicksToWait);
	  }
	  else{
		xReturn = xQueueSendToBack(xTimerQueue, &xMessage, tmrNO_DELAY);
	  }
	}
	else{
	  xReturn = xQueueSendToBackFromISR(xTimerQueue,&xMessage,pxHigherPriorityTaskWoken);
	}
	traceTIMER_COMMAND_SEND(xTimer, xCommandID, xOptionalValue, xReturn);
  }
  else{
	mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
  }
  return xReturn;
}

3. 软件定时器应用实例

本实例介绍FreeRTOS软件定时的的创建、开启和停止函数的操作与使用

使用STM32CubeMX将FreeRTOS移植到工程中，创建一个任务、两个软件定时器（单次和周期定时器）

TimerControl_Task：控制两个软件定时器的开启和停止

PeriodicTimer：周期定时器，定时周期为1000ms

OnceTimer：单次定时器，定时周期为2000ms

3.1 STM32CubeMX设置

RCC设置外接HSE，时钟设置为72M

PC0/PC1设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平

PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE2/PE3/PE4设置为GPIO输入模式、上拉模式

USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位；

激活FreeRTOS，添加任务，设置任务名称、优先级、堆栈大小、函数名称等参数

使能软件定时器，设置优先级等参数

添加单次定时器和周期定时器

使用FreeRTOS操作系统，需要将HAL库的Timebase Source从SysTick改为其他定时器，选好定时器后，系统会自动配置TIM

输入工程名，选择路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

3.2 MDK-ARM软件编程

创建按键驱动文件key.c和key.h，参考按键输入例程

添加周期定时器和单次定时器的回调函数

void TimerControl_Task(void const * argument){
  uint8_t key;
  for(;;){	
	if((PeriodicTimerHandle != NULL)&&(OnceTimerHandle != NULL)){
	  key = KEY_Scan(0);
	  switch(key){
		case KEY_UP_PRES :
		  /* 设置软件定时器周期值 */
		  xTimerChangePeriod(PeriodicTimerHandle,1000,0);
		  xTimerStart(PeriodicTimerHandle,0);
		  printf("PeriodicTimer Start......!\r\n");
		  break;
		case KEY_DOWN_PRES :
		  xTimerStop(PeriodicTimerHandle,0);
		  printf("PeriodicTimer Stop******!\r\n");
		  break;
		case KEY_LEFT_PRES :
		  /* 设置软件定时器周期值 */
		  xTimerChangePeriod(OnceTimerHandle,2000,0);
		  xTimerStart(OnceTimerHandle,0);
		  printf("OnceTimer Start......!\r\n");
		  break;
		case KEY_RIGHT_PRES :
		  xTimerStop(OnceTimerHandle,0);
		  printf("OnceTimer Stop******!\r\n");
		  break;
	  }
	}
    osDelay(10);
  }
}

3.3 下载验证

编译无误下载到开发板后，打开串口调试助手

按下KEY_UP按键，开启周期定时器，此时LED2指示灯每隔1s闪烁一次

按下KEY_DOWN按键，关闭周期定时器，LED2停止闪烁

按下KEY_LEFT按键，开启单次定时器，2s后LED1状态翻转，停止运行

按下KEY_RIGHT按键，关闭单次定时器

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