嵌入式系统

教材：嵌入式系统及应用，罗蕾、李允、陈丽蓉等，电子工业出版社

嵌入式系统开发

时间管理

时间管理一般具有以下功能：

• 维持日历时间；
• 任务有限等待的计时；
• 软定时器的定时管理；
• 维持系统时间片轮转调度

硬件时钟设备

实时时钟（real time clock，RTC）

• 一般靠电池供电，即使系统断电，也可以维持日期和时间。
• 实时时钟独立于操作系统，所以也被称为硬件时钟，为整个系统提供一个计时标准

定时器/计数器

• 实时内核需要一个定时器作为系统时钟（或称OS时钟），并由实时内核控制系统时钟工作
• 一般情况下，系统时钟的最小粒度是由应用和操作系统的特点决定的

时钟运作机制

• 实时时钟和系统时钟之间的关系通常也被称作操作系统的时钟运作机制
• 在不同的操作系统中，实时时钟和系统时钟之间的关系是不同的
• 一般来说，实时时钟是系统时钟的时间基准，实时内核通过读取实时时钟来初始化系统时钟，此后二者保持同步运行，共同维系系统时间
• 系统时钟并不是本质意义上的时钟，只有当系统运行起来以后才有效，并且由实时内核完全控制
• 从硬件的角度来看，定时器（timer）和计数器（counter）的概念是可以互换的，其差别主要体现在硬件在特定应用中的使用情况

实时内核的时间管理

基本概念

• 实时内核的时间管理以系统时钟为基础，系统时钟一般定义为整数或长整数，提供给应用程序所有和时间有关的服务。
• 系统时钟是由定时/计数器产生的输出脉冲触发中断而产生的。
• 输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答”，也称为时标、tick
• tick为系统的相对时间单位，也被称为系统的时基，来源于定时器的周期性中断，一次中断表示一个tick。
• 一个tick与具体时间的对应关系可在初始化定时器时设定，也就是说，tick所对应的具体时间长度是可以调整的。
• 一般来说，实时内核都提供相应的调整机制，应用可以根据特定情况改变tick对应的时间长度

时间差分链

• 对于时间等待的对象，通常都被组织为差分链表的方式进行管理，以有效降低时间等待对象的管理开销
• 在时间差分链中，每个表项所包含的计时值并非当前时刻到表项激活时刻的绝对计数，而是该表项和先于它的所有表项的计数值之和
• 产生tick后，需要对时间等待链中的需要延迟处理的对象的剩余等待时间值进行处理
• 对于差分时间链，系统每接收到一个tick，就修订链首对象的时间值
• 当减到0时，链首对象就被激活，并从差分时间链中取下来，下一个对象又成为链首对象

软件定时器

• 为实现定时功能，实时内核需要提供软件定时器管理功能，应用程序可根据需要创建、使用软件定时器
  
  • 软件定时器在创建时，由用户提供定时值，当软件定时器的定时值减法计数为0时，触发定时器服务例程。
  • 用户可在此例程中完成自己需要的操作。
  • 在tick处理程序中需要对软件定时器的定时值进行减1操作，并在定时值为0时，触发挂接在该定时器上的服务例程
• 软件定时器可用于实现“看门狗”（watchdog）
  
  • 在应用的某个地方进行软件定时器的停止计时操作，确保定时器在系统正常运行的情况下不会到期，即不会触发定时器服务例程；
  • 如果某个时候系统进入了定时器服务例程，就表示使用停止计时操作的地方没有执行到，系统出现了错误
• 如果需要进行任务的重调度，tick处理程序还需要调用调度程序进行任务调度处理，使需要执行的下一个任务获得对CPU的控制

时间相关的管理功能

• 通常来说，实时内核提供以下主要与时间相关的管理：

  • 维持相对时间（时间单位为tick）和日历时间；

  • 任务有限等待的计时；

  • 定时功能；

  • 时间片轮转调度的计时

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  • 设置系统时间
    使应用能够设置当前系统的日期和时间。

  • 获得系统时间
    以日历时间、系统启动以来所经历的tick数等形式获得当前的系统时间。

  • 维护系统时基、处理定时事件
    通过时钟中断，维持系统日志时间、任务延迟时间、超时、单调速率周期、实现时间片等内容

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  • 创建软件定时器
    分配一个定时器数据结构，创建一个软件定时器，并为这个定时器分配用户指定的名字。新创建的定时器没有被激活，且没有相应的定时器服务例程。软件定时器创建成功后，将为该定时器分配一个ID标识。

  • 启动软件定时器
    使定时器在给定的时间过去后，触发定时器服务例程。通常还可以指定是单次触发还是周期触发

  • 使软件定时器停止计时
    使指定的软件定时器停止工作。因此，对应的定时器服务例程不再被触发，除非定时器被重新激活

  • 复位软件定时器
    把定时器的定时值恢复到原来设定的值。

  • 删除软件定时器

  用来删除一个软件定时器。如果定时器还在工作，则其自动停止。该定时器对应的数据结构被返回给系统

• 管理功能是通过tick处理程序来实现的

  • 定时器发生中断后，执行系统时钟中断处理程序，并在中断处理程序中调用tick处理程序，实现系统中与时间和定时相关的操作。
  • tick处理程序作为实时内核的一部分，与具体的定时器/计数器硬件无关，由系统时钟中断处理程序调用，使实时内核具有对不同定时器/计数器硬件的适应性

• 相对时间即系统时间，是指相对于系统启动以来的时间，以tick为单位，每发生一个tick，对系统的相对时间进行一次加1操作。

• 实时内核根据tick对应的时间长度，可以把相对时间转换为以秒或是毫秒为单位的其他时间格式，并可根据实时时钟获得日历时间。

• 如果对任务设置了时间片处理方式，需要在tick处理程序中对当前正在运行的任务的已执行时间进行更新，使任务的已执行时间数值加1。