eCos嘀嗒定时器

1. 概述

嘀嗒定时器（Tick）是操作系统的核心部件之一，操作系统使用嘀嗒定时器实现时间片轮、延时、超时判断等特性。 本文介绍eCos系统中的嘀嗒定时器的使用和实现，以及需要考虑的一些问题。

嘀嗒定时器在eCos中称做RealTimeClock（RTC），一般情况下，RTC是指提供年月日时分秒的实时时钟， 在eCos中RTC表示嘀嗒定时器，WallClock（挂钟）才是指提供年月日时分秒的实时时钟，为什么是这样？

通常使用定时器模块为系统提供嘀嗒定时服务，Cortex-M提供了专用的SysTick定时器。

嘀嗒定时器与硬件相关的代码是由HAL提供的，与硬件无关的代码由内核的clock.cxx提供，ISR和DSR也是由clock.cxx提供的。

2. 配置项

共有3个配置项与嘀嗒定时器有关，分别是：Real-time clock numerator（CYGNUM_HAL_RTC_NUMERATOR）、 Real-time clock denominator（CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR）、Real-time clock period（CYGNUM_HAL_RTC_PERIOD）， 这3个配置项通常在平台层HAL或变体层HAL定义。

CYGNUM_HAL_RTC_NUMERATOR和CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR定义嘀嗒定时器中断间隔时间， 中断间隔时间 =CYGNUM_HAL_RTC_NUMERATOR / CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR，单位为纳秒（ns）。 默认情况下CYGNUM_HAL_RTC_NUMERATOR = 1000000000ns = 1s，CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR = 100， 中断间隔 = 1000000000 / 100 = 10000000ns = 10ms。在CYGNUM_HAL_RTC_NUMERATOR = 1s 的情况下， CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR 等于每秒产生的嘀嗒数。 据eCos参考手册的描述，采用分子分母的形式来定义中断间隔的原因是提高分辨率减少误差， 在CYGNUM_HAL_RTC_NUMERATOR不能被CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR整除的情况下，确实是这么一回事。

CYGNUM_HAL_RTC_PERIOD是嘀嗒定时器中断间隔时间内CPU运行的时钟数，这个选项用来初始化定时器硬件， 一般情况下，CYGNUM_HAL_RTC_PERIOD = CPU主频 / CYGNUM_HAL_RTC_DENOMINATOR。

3. 内核函数

与嘀嗒定时器相关的内核函数包括cyg_current_time、cyg_thread_delay以及支持超时机制的通信和同步函数。

cyg_tick_count_t cyg_current_time(void)：读取当前嘀嗒计数器值，返回值类型为cyg_tick_count_t，这是个64位无符号整数类型。

void cyg_thread_delay(cyg_tick_count_t delay)：线程延时，delay为需要延时的嘀嗒数。

支持超时机制的通信和同步函数包括cyg_mbox_timed_get、cyg_mbox_timed_put、cyg_semaphore_timed_wait、cyg_flag_timed_wait、cyg_cond_timed_wait，这些函数都有一个abstime参数，abstime是嘀嗒计数器值的绝对值， 这是与cyg_thread_delay的delay参数不同的，在使用这些函数前首先要调用cyg_current_time获取当前计数器值，然后加上超时时间再传给abstime参数， 为什么不使用和cyg_thread_delay一样的相对计数器值呢？下面是使用超时等待条件变量的一个简单例子。

res = cyg_cond_timed_wait( cv, cyg_current_time()+10 );

4. HAL代码

HAL为内核实现嘀嗒定时器提供3个硬件相关的宏定义：HAL_CLOCK_INITIALIZE、HAL_CLOCK_RESET、 CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC

HAL_CLOCK_INITIALIZE( _period_ )对定时器进行初始化，通常对定时器模块相关的寄存器进行设置， 但是不会安装ISR和DSR，也不会使能中断，这部分工作由内核在初始化嘀嗒定时器时完成。 _period_为CYGNUM_HAL_RTC_PERIOD。

HAL_CLOCK_RESET( _vec_, _period_ )清除定时器中断标志，复位计数器值，在ISR中调用， _vec_为CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC，_period_为CYGNUM_HAL_RTC_PERIOD。

CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC嘀嗒定时器的中断号，定时器中断的ISR和DSR是由内核提供的， 只有知道中断号的情况下，才能安装ISR和DSR，以及屏蔽和使能中断。

5. 内核代码

与嘀嗒定时器相关的内核代码主要在kernel/.../src/common/clock.cxx中实现。 嘀嗒定时器功能由C++类Cyg_RealTimeClock提供，clock.cxx定义了一个全局的Cyg_RealTimeClock实例对象Cyg_RealTimeClock::rtc， 内核API通过该实例实现嘀嗒定时器相关特性。

class Cyg_RealTimeClock : public Cyg_Clock(1){    Cyg_Interrupt       interrupt;(2)    static cyg_uint32   isr(cyg_vector vector, CYG_ADDRWORD data);(3)    static void         dsr(cyg_vector vector, cyg_ucount32 count, CYG_ADDRWORD data);    Cyg_RealTimeClock();    static Cyg_RealTimeClock rtc;(4)};Cyg_RealTimeClock Cyg_RealTimeClock::rtc CYG_INIT_PRIORITY( CLOCK );(5)

(1)Cyg_RealTimeClock继承自Cyg_Clock， Cyg_Clock继承自Cyg_Counter。(2)嘀嗒定时器的中断实例。(3)ISR和DSR函数。(4)全局的Cyg_RealTimeClock实例，这里将其声明为Cyg_RealTimeClock类自身的静态变量，因此通过Cyg_RealTimeClock::rtc引用。(5)Cyg_RealTimeClock::rtc在这里定义。

Cyg_RealTimeClock::Cyg_RealTimeClock()(1)    : Cyg_Clock(rtc_resolution),      interrupt(CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC,                CYGNUM_KERNEL_COUNTERS_CLOCK_ISR_PRIORITY,                (CYG_ADDRWORD)this, isr, dsr){    HAL_CLOCK_INITIALIZE( CYGNUM_KERNEL_COUNTERS_RTC_PERIOD );(2)    interrupt.attach();(3)    interrupt.unmask_interrupt(CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC);(4)    Cyg_Clock::real_time_clock = this;}

(1)Cyg_RealTimeClock构造函数，调用基类构造函数以及Cyg_Interrupt实例构造函数。(2)调用HAL提供的HAL_CLOCK_INITIALIZE初始化硬件。(3)安装中断服务ISR和DSR。(4)使能定时器中断，使能中断后不一定就能产生嘀嗒中断，因为CPU那里还有一个中断总开关。

cyg_uint32 Cyg_RealTimeClock::isr(cyg_vector vector, CYG_ADDRWORD data)(1){    HAL_CLOCK_RESET( CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC, CYGNUM_KERNEL_COUNTERS_RTC_PERIOD );(2)    Cyg_Interrupt::acknowledge_interrupt(CYGNUM_HAL_INTERRUPT_RTC);    return Cyg_Interrupt::CALL_DSR|Cyg_Interrupt::HANDLED;}

(1)嘀嗒定时器的ISR。（已删减非关键代码）(2)调用HAL提供的定时器复位宏，复位定时器，并重新初始化定时器的计数器值。

void Cyg_RealTimeClock::dsr(cyg_vector vector, cyg_ucount32 count, CYG_ADDRWORD data)(1){    Cyg_RealTimeClock *rtc = (Cyg_RealTimeClock *)data;    rtc->tick( count );(2)}

(1)嘀嗒定时器的DSR。（已删减非关键代码）(2)DSR仅调用Cyg_Counter基类的tick函数，嘀嗒定时器的关键特性是在Cyg_Counter::tick中实现的。

void Cyg_Counter::tick( cyg_uint32 ticks )(1){    // Increment the counter in a loop so we process    // each tick separately. This is easier than trying    // to cope with a range of increments.    while( ticks-- )(2)    {        Cyg_Scheduler::lock();(3)        // increment the counter, note that it is        // allowed to wrap.        counter += increment;(4)        // now check for any expired alarms        Cyg_Alarm_List *alarm_list_ptr;     // pointer to list        alarm_list_ptr = &alarm_list;        // Now that we have the list pointer, we can use common code for        // both list organizations.        // With unsorted lists we must scan the whole list for        // candidates. However, we must be careful here since it is        // possible for the function of one alarm to add or remove        // other alarms to/from this list. Having the list shift under        // our feet in this way could be disasterous. We solve this by        // restarting the scan from the beginning whenever we call an        // alarm function.        cyg_bool rescan = true;        while( rescan )(5)        {            Cyg_DNode_T<Cyg_Alarm> *node = alarm_list_ptr->get_head();            rescan = false;            while( node != NULL )            {                Cyg_Alarm *alarm = CYG_CLASSFROMBASE( Cyg_Alarm, Cyg_DNode, node );                Cyg_DNode_T<Cyg_Alarm> *next = alarm->get_next();                CYG_ASSERTCLASS(alarm, "Bad alarm in counter list" );                if( alarm->trigger <= counter )(6)                {                    alarm_list_ptr->remove(alarm);                    if( alarm->interval != 0 )                    {                        // The alarm has a retrigger interval.                        // Reset the trigger time and requeue                        // the alarm.                        alarm->trigger += alarm->interval;                        add_alarm( alarm );                    }                    else alarm->enabled = false;                    CYG_INSTRUMENT_ALARM( CALL, this, alarm );                    // Call alarm function                    alarm->alarm(alarm, alarm->data);                    rescan = true;                    break;                }                // If the next node is the head of the list, then we have                // looped all the way around. The node == next test                // catches the case where we only had one element to start                // with.                if( next == alarm_list_ptr->get_head() || node == next )                    node = NULL;                else                    node = next;            }        }        Cyg_Scheduler::unlock();    }}

(1)Cyg_Counter::tick函数，已删减非关键代码，Cyg_Counter::tick将对计数器值进行累加， 然后检查链接到该计数器的所有Cyg_Alarm实例，如果Cyg_Alarm实例的触发值小于等于当前计数器值，那么调用该Cyg_Alarm实例的回调函数。 从这里可以看出Cyg_Counter和Cyg_Alarm是密切关联的两个类，因此这两个类互相把对方声明为友元类。(2)根据未处理嘀嗒中断的次数进行多次处理，eCos的DSR机制通过记录中断次数的方式保证中断不会丢失，即使在DSR未及时得到执行的情况下。(3)对调度器进行加锁，接下来开始访问共享数据，访问之前对调度器加锁以保护共享数据。(4)累加计数值，对嘀嗒定时器而言，increment = 1。(5)扫描所有链接到该计数器的Cyg_Alarm实例，链接到同一个计数器的Cyg_Alarm实例以链表的方式组织。(6)检查Cyg_Alarm实例的触发值是否小于等于当前计数器值，如果是，那么删除该Cyg_Alarm实例并调用该实例对应的回调函数。

6. 计数器溢出

细心的朋友可能已经注意到，在Cyg_Counter::tick函数中没有考虑计数器溢出回滚到0的问题， 溢出是迟早会发生的事情呀！eCos使用了64位的无符号整数来存储计数器，假设1毫秒产生一次嘀嗒中断， 也就是说每1毫秒，Cyg_Count::counter加1，那么经过0×10000000000000000 / 1000秒后将会溢出，换算成天数， 那么是0×10000000000000000 / 1000 / 60 / 60 / 24天，等于213503982334天，等于584942417年， 早晚会溢出的，但是那是差不多6亿年后的事情啦，反正我死都死啦，管不着啦！使用64位整数做计数器虽然占用更多的内存空间，但是算法简单许多，还算划得来。