title: rtthread定时器的实现
date: 2020-10-25 15:57:01
tags: rtthread

每当线程需要延时的时候，就初始化 remaining_tick 需要延时的时间，然后将线程挂起，这里的挂起只是将线程在线程就绪优先级组中对应的位清 0，并不会将线程从线程优先级表（即就绪列表）中删除。当每次时基中断（SysTick 中断）来临时，就扫描就绪列表中的每个线程的 remaining_tick，如果 remaining_tick 大于 0 则递减一次，然后判断 remaining_tick 是否为 0，如果为 0 则表示延时时间到，将该线程就绪（即将线程在线程就绪优先级组中对应的位置位），然后等待系统下一次调度。这种延时的缺点是，在每个时基中断中需要对所有线程都扫描一遍，费时，优点是容易理解。之所以先这样讲解是为了慢慢地过度到 RT-Thread 定时器的讲解。

在 RT-Thread 中，每个线程都内置一个定时器，当线程需要延时的时候，则先将线程挂起，然后内置的定时器就会启动，并且将定时器插入到一个全局的系统定时器列表rt_timer_list，这个全局的系统定时器列表维护着一条双向链表，每个节点代表了正在延时的线程的定时器，节点按照延时时间大小做升序排列。当每次时基中断（SysTick 中断）来临时，就扫描系统定时器列表的第一个定时器，看看延时时间是否到，如果到则让该定时器对应的线程就绪，如果延时时间不到，则退出扫描，因为定时器节点是按照延时时间升序排列的，第一个定时器延时时间不到期的话，那后面的定时器延时时间自然不到期。比起第一种方法，这种方法就大大缩短了寻找延时到期的线程的时间。

定时器实现

系统定时器列表

在 RT-Thread 中，定义了一个全局的系统定时器列表，当线程需要延时时，就先把线程挂起，然后线程内置的定时器将线程挂起到这个系统定时器列表中，系统定时器列表维护着一条双向链表，节点按照定时器的延时时间的大小做升序排列。

redef.h

#ifndef RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL
#define RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL          1
#endif

timer.c

/* hard timer list */
static rt_list_t rt_timer_list[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL];

数组只有一个成员。

系统定时器列表初始化

void rt_system_timer_init(void)
{int i;for (i = 0; i < sizeof(rt_timer_list) / sizeof(rt_timer_list[0]); i++){rt_list_init(rt_timer_list + i);}
}

即初始化数组每个成员节点的next和prev两个指向自己本身。

定时器结构体定义

rtdef.h

/*** 定时器结构体*/
struct rt_timer
{struct rt_object parent;                         /* 从 rt_object 继承 */rt_list_t row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL];void (*timeout_func)(void *parameter);           /* 超时函数 */void            *parameter;                      /* 超时函数形参 */rt_tick_t        init_tick;                      /* 定时器实际需要延时的时间 */rt_tick_t        timeout_tick;                   /* 定时器实际超时时的系统节拍数 */
};
typedef struct rt_timer *rt_timer_t;

定时器也属内核对象，也会在结构体包含内核对象类型的成员。

row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL]定时器自身的节点，通过该节点可以实现将定时器插入到系统定

时器列表。

(*timeout_func)(void *parameter)定时器超时函数，定时器到期会调用相应的超时函数。

timeout_tick:我们知道系统定义了一个全局的系统时基计数器 rt_tick（在 clock.c 中定义），每产生一次系统时基中断（即 SysTick 中断）时，rt_tick 计数加一。假设线程要延时 10 个 tick，即 init_tick 等于 10，此时 rt_tick 等于 2，那么 timeout_tick 就等于 10 加 2 等于 12，当 rt_tick 递增到 12 的时候，线程延时到期，这个就是 timeout_tick 的实际含义。

线程控制块内置定时器

rtdef.h

struct rt_thread
{/* rt 对象 */char        name[RT_NAME_MAX];    /* 对象的名字 */rt_uint8_t  type;                 /* 对象类型 */rt_uint8_t  flags;                /* 对象的状态 */rt_list_t   list;                 /* 对象的列表节点 */rt_list_t   tlist;                /* 线程链表节点 */void        *sp;               /* 线程栈指针 */void        *entry;                  /* 线程入口地址 */void        *parameter;             /* 线程形参 */    void        *stack_addr;          /* 线程起始地址 */rt_uint32_t stack_size;           /* 线程栈大小，单位为字节 */rt_ubase_t  remaining_tick;       /* 用于实现阻塞延时 */rt_uint8_t  current_priority;     /* 当前优先级 */rt_uint8_t  init_priority;        /* 初始优先级 */rt_uint32_t number_mask;          /* 当前优先级掩码 */rt_err_t    error;                /* 错误码 */rt_uint8_t  stat;                 /* 线程的状态 */struct rt_timer thread_timer;     /* 内置的线程定时器 */
};
typedef struct rt_thread *rt_thread_t;

定时器初始化函数

timer.c

/*** 该函数用于初始化一个定时器，通常该函数用于初始化一个静态的定时器** @param timer 静态定时器对象* @param name 定时器的名字* @param timeout 超时函数* @param parameter 超时函数形参* @param time 定时器的超时时间* @param flag 定时器的标志*/
void rt_timer_init(rt_timer_t  timer,const char *name,void (*timeout)(void *parameter),void       *parameter,rt_tick_t   time,rt_uint8_t  flag)
{/* 定时器对象初始化 */rt_object_init((rt_object_t)timer, RT_Object_Class_Timer, name);/* 定时器初始化 */_rt_timer_init(timer, timeout, parameter, time, flag);
}static void _rt_timer_init(rt_timer_t timer,void (*timeout)(void *parameter),void      *parameter,rt_tick_t  time,rt_uint8_t flag)
{int i;/* 设置标志 */timer->parent.flag  = flag;/* 先设置为非激活态 */timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;timer->timeout_func = timeout;timer->parameter    = parameter;/* 初始化 定时器实际超时时的系统节拍数 */timer->timeout_tick = 0;/* 初始化 定时器需要超时的节拍数 */timer->init_tick    = time;/* 初始化定时器的内置节点 */for (i = 0; i < RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL; i++){rt_list_init(&(timer->row[i]));}
}

定时器的标志位：

rtdef.h

/*** 时钟 & 定时器 宏定义*/
#define RT_TIMER_FLAG_DEACTIVATED       0x0     /* 定时器没有激活 */
#define RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED         0x1     /* 定时器已经激活 */
#define RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT          0x0     /* 单次定时 */
#define RT_TIMER_FLAG_PERIODIC          0x2     /* 周期定时 */#define RT_TIMER_FLAG_HARD_TIMER        0x0     /* 硬件定时器，定时器回调函数在 tick isr中调用 */#define RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER        0x4     /* 软件定时器，定时器回调函数在定时器线程中调用 */

定时器相关函数

删除函数

rt_inline void _rt_timer_remove(rt_timer_t timer)
{int i;for (i = 0; i < RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL; i++){rt_list_remove(&timer->row[i]);}
}

停止函数

实现的算法主要分成两步，先将定时器从系统定时器列表删除，然后改变定时器的状态为非 active 即可

/*** 该函数将停止一个定时器** @param timer 将要被停止的定时器** @return 操作状态, RT_EOK on OK, -RT_ERROR on error*/
rt_err_t rt_timer_stop(rt_timer_t timer)
{register rt_base_t level;/* 只有active的定时器才能被停止，否则退出返回错误码 */if (!(timer->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED))return -RT_ERROR;/* 关中断 */level = rt_hw_interrupt_disable();/* 将定时器从定时器列表删除 */_rt_timer_remove(timer);/* 开中断 */rt_hw_interrupt_enable(level);/* 改变定时器的状态为非active */timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;return RT_EOK;
}

定时器控制函数

根据不同的形参来设置定时器的状态和初始时间值

/*** 该函数将获取或者设置定时器的一些选项* * @param timer 将要被设置或者获取的定时器* @param cmd 控制命令* @param arg 形参** @return RT_EOK*/
rt_err_t rt_timer_control(rt_timer_t timer, int cmd, void *arg)
{switch (cmd){case RT_TIMER_CTRL_GET_TIME:*(rt_tick_t *)arg = timer->init_tick;break;case RT_TIMER_CTRL_SET_TIME:timer->init_tick = *(rt_tick_t *)arg;break;case RT_TIMER_CTRL_SET_ONESHOT:timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_PERIODIC;break;case RT_TIMER_CTRL_SET_PERIODIC:timer->parent.flag |= RT_TIMER_FLAG_PERIODIC;break;}return RT_EOK;
}

*启动函数

/*** 启动定时器** @param timer 将要启动的定时器** @return 操作状态, RT_EOK on OK, -RT_ERROR on error*/
rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer)
{unsigned int row_lvl = 0;rt_list_t *timer_list;register rt_base_t level;rt_list_t *row_head[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL];unsigned int tst_nr;static unsigned int random_nr;/* 关中断 */level = rt_hw_interrupt_disable();/* 将定时器从系统定时器列表移除 */_rt_timer_remove(timer);/* 改变定时器的状态为非active */timer->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;/* 开中断 */rt_hw_interrupt_enable(level);/* 获取 timeout tick,最大的timeout tick 不能大于 RT_TICK_MAX/2 */timer->timeout_tick = rt_tick_get() + timer->init_tick;/* 关中断 */level = rt_hw_interrupt_disable();/* 将定时器插入到定时器列表 *//* 获取系统定时器列表根节点地址，rt_timer_list是一个全局变量 */timer_list = rt_timer_list;/* 获取系统定时器列表第一条链表根节点地址 */row_head[0]  = &timer_list[0];/* 因为RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL等于1，这个循环只会执行一次 */for (row_lvl = 0; row_lvl < RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL; row_lvl++){/* 列表不为空，当没有定时器被插入到系统定时器列表时，该循环不执行 */for (; row_head[row_lvl] != timer_list[row_lvl].prev; row_head[row_lvl]  = row_head[row_lvl]->next){struct rt_timer *t;/* 获取定时器列表节点地址 */rt_list_t *p = row_head[row_lvl]->next;/* 根据节点地址获取父结构的指针 */t = rt_list_entry(p,                 /* 节点地址 */ struct rt_timer,   /* 节点所在父结构的数据类型 */row[row_lvl]);     /* 节点在父结构中叫什么，即名字 *//* 两个定时器的超时时间相同，则继续在定时器列表中寻找下一个节点 */if ((t->timeout_tick - timer->timeout_tick) == 0){continue;}/* 两个定时器的超时时间相同，则继续在定时器列表中寻找下一个节点 */else if ((t->timeout_tick - timer->timeout_tick) < RT_TICK_MAX / 2){break;}}/* 条件不会成真，不会被执行 */if (row_lvl != RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1){row_head[row_lvl + 1] = row_head[row_lvl] + 1; }            }/* random_nr是一个静态变量，用于记录启动了多少个定时器 */random_nr++;tst_nr = random_nr;/* 将定时器插入到系统定时器列表 */rt_list_insert_after(row_head[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1],       /* 双向列表根节点地址 */&(timer->row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1])); /* 要被插入的节点的地址 *//* RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL 等于1，该for循环永远不会执行 */for (row_lvl = 2; row_lvl <= RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL; row_lvl++){if (!(tst_nr & RT_TIMER_SKIP_LIST_MASK))rt_list_insert_after(row_head[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - row_lvl],&(timer->row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - row_lvl]));elsebreak;tst_nr >>= (RT_TIMER_SKIP_LIST_MASK + 1) >> 1;}/* 设置定时器标志位为激活态 */timer->parent.flag |= RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;/* 开中断 */rt_hw_interrupt_enable(level);return -RT_EOK;
}

一个初始化好的空的系统定时器列表示意图，只有一个成员

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mEZjpQI7-1608216004386)(https://i.loli.net/2020/10/25/BneYF4PWR3TScXj.png)]

假设现在有3个定时器要启动。

定时器1: timeout_tick=4

定时器2: timeout_tick=2

定时器3: timeout_tick=3

插入定时器1（timeout_tick=4）

将定时器1节点从系统定时器移除。（相当于将节点取下晾衣架）
将定时器1状态为非active。
获取定时器1的超时节拍。（定时器超时节拍 = 系统节拍 + 定时器延时节拍）
获取系统定时器列表根节点地址到timer_list。
获取链表第一个节点的地址到row_head[0] 。（row_head[0] = &timer_list[0];）
应为链表为空，所以不执行for循环。
将定时器1插入系统定时器列表根节点。
将定时器1状态为active。

如图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PCYQA4Gu-1608216004394)(https://i.loli.net/2020/10/25/kzacUWSnIOo4Mb3.png)]

插入定时器2（timeout_tick=2）

前五步一样。

此时链表不为空，执行for循环。
获取定时器1的节点地址给 p 。
根据定时器1的节点地址p得出定时器1的地址给t 。
较定时器1(t) 和定时器2(timer) 超时时间大小。如果时间相同则在定时器列表中寻找下一个节点。如果定时器1（t）大，跳出for循环。即将定时器2节点插入到定时器1前面。（超时时间大的在后面）
后面几步一样。

如图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wT9lozaw-1608216004396)(https://i.loli.net/2020/10/25/hBITaoXnKcv1yEl.png)]

插入定时器3（timeout_tick=3）

前五步一样。

第一次执行for循环，t(定时器2_timeout_tick=2) < timer(定时器3_timeout_tick=3)。
row_head[row_lvl] = row_head[row_lvl]->next。执行第二次for循环。
此时t(定时器1_timeout_tick=4) > timer(定时器3_timeout_tick=3)。
定时器3节点插入到定时器1节点之前。

如图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tjk17mOV-1608216004399)(https://i.loli.net/2020/10/25/iV6qvufY9FzWwJb.png)]

扫描函数

用于扫描系统定时器列表，查询定时器的延时是否到期，如果到期则让对应的线程就绪。

/*** 该函数用于扫描系统定时器列表，当有超时事件发生时* 就调用对应的超时函数** @note 该函数在操作系统定时器中断中被调用*/
void rt_timer_check(void)
{struct rt_timer *t;rt_tick_t current_tick;register rt_base_t level;/* 获取系统时基计数器rt_tick的值 */current_tick = rt_tick_get();/* 关中断 */level = rt_hw_interrupt_disable();/* 系统定时器列表不为空，则扫描定时器列表 */while (!rt_list_isempty(&rt_timer_list[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1])){/* 获取第一个节点定时器的地址 */t = rt_list_entry(rt_timer_list[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1].next,   /* 节点地址 */struct rt_timer,                                    /* 节点所在的父结构的数据类型 */ row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1]);                 /* 节点在父结构的成员名 */if ((current_tick - t->timeout_tick) < RT_TICK_MAX / 2){/* 先将定时器从定时器列表移除 */_rt_timer_remove(t);/* 调用超时函数 */t->timeout_func(t->parameter);/* 重新获取 rt_tick */current_tick = rt_tick_get();/* 周期定时器 */if ((t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_PERIODIC) &&(t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED)){/* 启动定时器 */t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;rt_timer_start(t);}/* 单次定时器 */else{/* 停止定时器 */t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;}}elsebreak;}/* 开中断 */rt_hw_interrupt_enable(level);
}

通过判断current_tick - t->timeout_tick > 0 判断定时器是否到期。到期移除定时器并调用超时函数。最后判断是否为周期定时器。

超时函数：

thread.c

/*** 线程超时函数* 当线程延时到期或者等待的资源可用或者超时时，该函数会被调用** @param parameter 超时函数的形参*/
void rt_thread_timeout(void *parameter)
{struct rt_thread *thread;thread = (struct rt_thread *)parameter;/* 设置错误码为超时 */thread->error = -RT_ETIMEOUT;/* 将线程从挂起列表中删除 */rt_list_remove(&(thread->tlist));/* 将线程插入到就绪列表 */rt_schedule_insert_thread(thread);/* 系统调度 */rt_schedule();
}

设置线程错误码为超时。
将线程从挂起列表中删除，前提是线程在等待某些资源而被挂起到挂起列表，如果只是延时到期，则这个只是空操作。
将线程就绪。执行系统调度。

修改代码

线程初始化函数

rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread *thread,const char       *name,void (*entry)(void *parameter),void             *parameter,void             *stack_start,rt_uint32_t       stack_size,rt_uint8_t        priority)
{/* 线程对象初始化 *//* 线程结构体开头部分的成员就是rt_object_t类型 */rt_object_init((rt_object_t)thread, RT_Object_Class_Thread, name);rt_list_init(&(thread->tlist));thread->entry = (void *)entry;thread->parameter = parameter;thread->stack_addr = stack_start;thread->stack_size = stack_size;/* 初始化线程栈，并返回线程栈指针 */thread->sp = (void *)rt_hw_stack_init( thread->entry, thread->parameter,(void *)((char *)thread->stack_addr + thread->stack_size - 4) );thread->init_priority    = priority;thread->current_priority = priority;thread->number_mask = 0;/* 错误码和状态 */thread->error = RT_EOK;thread->stat  = RT_THREAD_INIT;/* 初始化线程定时器 */rt_timer_init(&(thread->thread_timer),     /* 静态定时器对象 */thread->name,                /* 定时器的名字，直接使用的是线程的名字 */rt_thread_timeout,           /* 超时函数 */thread,                      /* 超时函数形参 */0,                           /* 延时时间 */RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT);     /* 定时器的标志 */return RT_EOK;
}

线程延时函数

rt_err_t rt_thread_delay(rt_tick_t tick)
{return rt_thread_sleep(tick);
}

/*** 该函数将让当前线程睡眠一段时间，单位为tick* * @param tick 睡眠时间，单位为tick** @return RT_EOK*/
rt_err_t rt_thread_sleep(rt_tick_t tick)
{register rt_base_t temp;struct rt_thread *thread;/* 关中断 */temp = rt_hw_interrupt_disable();/* 获取当前线程的线程控制块 */thread = rt_current_thread;/* 挂起线程 */rt_thread_suspend(thread);/* 设置线程定时器的超时时间 */rt_timer_control(&(thread->thread_timer), RT_TIMER_CTRL_SET_TIME, &tick);/* 启动定时器 */rt_timer_start(&(thread->thread_timer));/* 开中断 */rt_hw_interrupt_enable(temp);/* 执行系统调度 */rt_schedule();return RT_EOK;
}

/*** 该函数用于挂起指定的线程* @param thread 要被挂起的线程** @return 操作状态, RT_EOK on OK, -RT_ERROR on error** @note 如果挂起的是线程自身，在调用该函数后，* 必须调用rt_schedule()进行系统调度* */
rt_err_t rt_thread_suspend(rt_thread_t thread)
{register rt_base_t temp;/* 只有就绪的线程才能被挂起，否则退出返回错误码 */if ((thread->stat & RT_THREAD_STAT_MASK) != RT_THREAD_READY){return -RT_ERROR;}/* 关中断 */temp = rt_hw_interrupt_disable();/* 改变线程状态 */thread->stat = RT_THREAD_SUSPEND;/* 将线程从就绪列表删除 */rt_schedule_remove_thread(thread);/* 停止线程定时器 */rt_timer_stop(&(thread->thread_timer));/* 开中断 */rt_hw_interrupt_enable(temp);return RT_EOK;
}

修改系统时基更新函数

void rt_tick_increase(void)
{/* 系统时基计数器加1操作,rt_tick是一个全局变量 */++ rt_tick;/* 扫描系统定时器列表 */rt_timer_check();
}

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插入定时器1（timeout_tick=4）

插入定时器2（timeout_tick=2）

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扫描函数

修改代码

线程初始化函数

线程延时函数

修改系统时基更新函数

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