Contiki的内核分析-定时器模型

导读

本文通过分析Contiki的源码，梳理Contiki的定时器模型中一共5个定时器的工作机制和原理。

引入

从本文开始，我们开始探究Contiki的5个定时器模型，遵循从易到难的原则，我们先开始两个基本的内核定时器timer和stimer，两者唯一的区别就是timer以内核tick为单位，stimer以秒为单位。因此只需要了解timer即可类推到stimer。

在探究timer之前，我们先回顾一下在移植Contiki时在clock.c中做的一些工作，这些工作对Contiki的定时器模型至关重要。

在Contiki的clock.c中，有2个变量 clock_time_t count和clock_time_t seconds，它们分别记录了内核的tick和秒。很容易想到，它们分别提供给timer和stimer。

timer和stimer

简单看一下timer的类型定义

struct timer {clock_time_t start;  //计时开始时间clock_time_t interval;   //要计时的数量
};

基于这样的定时器类型定义，在Contiki中用开始时间+时间间隔>=到期时间的方式，判定某个定时器是否到期。

timer提供了简单的定时器功能，包括timer_set，timer_reset，timer_restart，timer_expired，timer_remaining等等。这些功能最主要是提供给高级内核定时器使用，比如etimer，ctimer等等。

stimer和timer完全类似，只是计数单位变成了秒。

etimer

etimer可以说是Contiki中最重要的定时器了，是事件驱动机制的一部分。

 struct etimer {struct timer timer;    //基本timerstruct etimer *next;  //链接域struct process *p;    //etimer绑定的process
};

可以看到etimer是链式结构的，并且每个etimer绑定了一个process。

在etimer中，定义了timerlist和next_expiration两个变量，分别是etimer链表和最近一次到期时间。在前面我们或多或少的涉及了一些etimer的设计要点，现在就etimer几个关键的地方做进一步分析。

首先是我们知道有到期etimer时，硬件定时器中断服务函数会把etimer协程的poll置位，使etimer协程在下次调度时获得执行的机会。即下面这个函数。

void
etimer_request_poll(void)    //调用它意味着有etimer到期
{process_poll(&etimer_process);    //设置标志位，contiki将会poll etimer的process
}

那么在etimer协程中究竟做了什么工作，使得我们的etimer可以成为Contiki中事件驱动的一部分呢？我们看etimer协程的具体实现:

PROCESS_THREAD(etimer_process, ev, dataa)
{struct etimer *t, *u;PROCESS_BEGIN();timerlist = NULL;while(1) {PROCESS_YIELD(); //第一次调用时必然从这里放弃cpuif(ev == PROCESS_EVENT_EXITED) { //有process退出了，获得了该广播消息，删去和该process绑定的etimerstruct process *p = dataa;while(timerlist != NULL && timerlist->p == p) {timerlist = timerlist->next;}if(timerlist != NULL) {t = timerlist;while(t->next != NULL) {if(t->next->p == p) {t->next = t->next->next;} elset = t->next;}}continue;} else if(ev != PROCESS_EVENT_POLL) {  //不是poll事件，跳回去，放弃cpucontinue;}again://执行到这里说明有etimer的poll事件u = NULL;for(t = timerlist; t != NULL; t = t->next) {if(timer_expired(&t->timer)) { //有etimer到期if(process_post(t->p, PROCESS_EVENT_TIMER, t) == PROCESS_ERR_OK) { //post一个timer到期事件/* Reset the process ID of the event timer, to signal that theetimer has expired. This is later checked in theetimer_expired() function. */t->p = PROCESS_NONE;if(u != NULL) {u->next = t->next;} else {timerlist = t->next;}t->next = NULL;update_time();  //更新next_expiration变量goto again;        //直到所有的etimer都未到期才会结束} else {etimer_request_poll();   //post etimer到期事件失败，重新设置一个poll请求，等待下次poll}}u = t;}}PROCESS_END();
}

etimer协程主要分为2个部分，第一部分是接收协程退出的广播事件，当某个协程退出时，和该协程绑定的etimer也需要被回收。第二部分是处理etimer到期事件，etimer协程会遍历etimer链表，找到一个到期的etimer，然后通过异步post发送etimer到期事件，并设置该etimer的到期标志，之后更新下一个最近的到期时间，再次遍历etimer链表。如此反复直到所有的etimer均未到期时，结束etimer协程的执行，结合我在代码后面添加的注释，可以对etimer的协程理解更清晰。

etimer协程由于写法比较狂放，导致理解起来会有些困难，这里主要是goto语句的使用导致的，所以说迪杰斯特拉反对goto语句的声音是有一定道理的。不过goto语句恰当使用可以简化程序脉络，典型的是在出错处理时，通过goto语句直接跳转到出错处理位置。如果想使用goto处理出错，也可以使用do{}while(0)；的方式，在出错处使用break跳出出错的位置。

rtimer

rtimer是real timer的意思，是为了满足在时间敏感的场景使用定时器的需求。在时间粒度上，etimer一般是10ms级的，rtimer一般在us级~100us级。因此rtimer的中断频率是远高于etimer的，为了避免频繁的中断损耗系统性能。rtimer并没有使用链表的形式，保存多个rtimer。换言之，rtimer在整个Contiki中仅有一个，是串行执行的，即某个rtimer定时任务完成，才会接受下一个rtimer定时任务，因此重复设置rtimer会导致rtimer任务覆盖的问题。

理论上rtimer可以使用任何一个硬件定时器，但是为了不和etimer产生影响，我们最好用单独的硬件定时器作为rtimer的硬件基础。简单看一下rtimer的类型定义。

struct rtimer {rtimer_clock_t time;//定时间隔，一般是us单位rtimer_callback_t func;//到期后执行的回调函数void *ptr;//传入回调函数的数据
};

在Contiki中，rtimer主要在2个文件中，rtimer-arch.c和rtimer.c。仅有一个rtimer定时器变量next_rtimer。在完成了移植和初始化的工作后，涉及到的函数也只有3个：rtimer_set，rtimer_run_next，rtimer_arch_schedule，下面逐个击破。

int
rtimer_set(struct rtimer *rtimer, rtimer_clock_t time,rtimer_clock_t duration,rtimer_callback_t func, void *ptr)
{int first = 0;if(next_rtimer == NULL) {first = 1;}rtimer->func = func;rtimer->ptr = ptr;rtimer->time = time;next_rtimer = rtimer;if(first == 1) {     //第一次设置，要调度一次，以后都在其他函数调度rtimer_arch_schedule(time);}return RTIMER_OK;
}

rtimer设置函数的入参比较多，主要是为了设置rtimer的参数，需要我们定义一个rtimer，然后定义好触发时间，触发后的回调函数，传入回调的参数等等。可以看到rtimer_set仅仅是设置好参数，然后把用户定义的rtimer挂到Contiki中唯一的rtimer定时器中，之后开启硬件定时器，等待rtimer到期。

void
rtimer_arch_schedule(rtimer_clock_t t)
{//TH0作为计数器，占据timer1的中断向量TH0=256-t;//t个间隔后产生timer1中断spin_timer_start(timer1);//打开中断
}

这里rtimer_arch_schedule主要的作用就是设置好一个rtimer后，通知硬件执行定时操作，并允许硬件定时器中断。在本例中，可以看出t的范围是0~255，单位是us。

那么rtimer定时到期会怎么办呢？这个在我们的硬件定时器中实现，并且代码是固定的。

void rtimer_isr(void) interrupt 3
{spin_timer_stop(timer1);//关闭中断rtimer_run_next();
}

首先是关闭rtimer的中断，然后运行rtimer的回调函数，并设置好下一个rtimer的运行参数。具体的实现我们看rtimer_run_next函数:

void
rtimer_run_next(void)
{struct rtimer *t;if(next_rtimer == NULL) {return;}t = next_rtimer;next_rtimer = NULL;t->func(t, t->ptr);//在设置的rtimer的回调函数里，用户要设置rtimer_set，确定下一个rtimer。否则rtimer会停止if(next_rtimer != NULL) {rtimer_arch_schedule(next_rtimer->time); //这里其实是有点重复了}return;
}

可以看出，rtimer_run_next会执行到期的rtimer的回调函数，该回调函数是由用户自己实现的，并且要注意，在该回调函数中，用户要设置好下一个rtimer运行的参数，否则rtimer会停止工作。对比rtimer的rtimer_run_next和rtimer_set，可以发现有一个小瑕疵，就是rtimer_arch_schedule被重复执行了，导致的结果就是rtimer的下次到期时间被重复设置了，换句话说，用户在rtimer的回调函数里面给rtimer_set传入的过期时间是无效的，rtimer回调函数返回，由rtimer模块自己设置的过期时间才是有效的。

如此，rtimer的工作方式和原理已经很清晰了。用户设置一个rtimer，到期后执行用户给定的回调函数，在回调函数中，用户可以选择再去设置一个rtimer，如此循环往复，顺序的执行一个个rtimer。rtimer在设置和执行回调时会禁止rtimer中断，在调度下一个时会允许rtimer中断。

ctimer

ctimer是Contiki中较为复杂的一个定时器，它是基于etimer，每个ctimer都会绑定一个etimer，但是比etimer多了一个回调函数，一般应用在周期执行的任务场景。ctimer挂接在ctimer的链表上面，因此允许有多个ctimer，ctimer和etimer都是使用协程管理的，并且ctimer可以自由的设置要绑定的process，这一点比etimer要更为强大。首先看一下ctimer的类型定义

struct ctimer {struct ctimer *next;//链接域struct etimer etimer;//绑定的etimerstruct process *p;//绑定的processvoid (*f)(void *);//到期的回调函数void *ptr;//传给回调函数的数据
};

类型定义结合注释浅显易懂，不再解释。继续看ctimer的协程都做了些什么。

PROCESS(ctimer_process, "Ctimer process");
PROCESS_THREAD(ctimer_process, ev, dataa)
{struct ctimer *c;PROCESS_BEGIN();for(c = list_head(ctimer_list); c != NULL; c = c->next) {etimer_set(&c->etimer, c->etimer.timer.interval);}initialized = 1;while(1) {PROCESS_YIELD_UNTIL(ev == PROCESS_EVENT_TIMER);for(c = list_head(ctimer_list); c != NULL; c = c->next) {if(&c->etimer == dataa) {list_remove(ctimer_list, c);PROCESS_CONTEXT_BEGIN(c->p);if(c->f != NULL) {c->f(c->ptr);}PROCESS_CONTEXT_END(c->p);break;}}}PROCESS_END();
}

ctimer的协程和我们自己编写用户协程没有什么区别，只是业务代码的区别。代码比起etimer协程来，浅显易懂得多，我们稍做分析即可。ctimer用了Contiki库中的list模块，因此可以看到ctimer调用的一些和list数据结构有关的api。

ctimer协程初始化部分。主要是设定所有和ctimer绑定的etimer，之后进入协程主体。在协程主体中等待etimer到期事件，之后执行etimer绑定的ctimer的回调函数。值得注意的是在执行回调函数之前，进行了上下文的切换，不过由于Contiki特殊的process机制，这里的上下文切换其实只是修改了当前执行process为ctimer绑定的process，并未做其他的切换。和etimer不同，ctimer执行完一个ctimer的回调函数，并不是继续遍历ctimer链表，而是跳出，等待下一次的etimer到期事件。另外注意的是，我们在定义ctimer时，要同时定义一个etimer，然后手动把etimer绑定到ctimer上，因为迄今为止，我们的Contiki并不支持动态内存。

再简单看一下ctimer的设置函数

void
ctimer_set_with_process(struct ctimer *c, clock_time_t t,void (*f)(void *), void *ptr, struct process *p);
void
ctimer_set(struct ctimer *c, clock_time_t t,void (*f)(void *), void *ptr);

两个函数的区别仅仅是给当前process设置ctimer，和给指定process设置ctimer的区别。ctimer其他的函数和etimer的函数大同小异，略过即可。

结束语

通过对Contiki中5个定时器的逐一梳理，我们理解了Contiki定时器的工作机制和编程方式，理解了Contiki定时器和Contiki的event-process模型的协同工作。从os内核的角度来说，event-process模型和定时器模型就是Contiki的全部，但是从实际应用来说，Contiki的内容远不止这么多。因此，Contiki的探究理应在这里设置一个里程碑，里程碑前，是狭义的Contiki内核；里程碑后，是Contiki在实际应用中的外围拓展。我们在立下这个里程碑前，再用一节内容，综合应用我们学到的Contiki的这些知识。下一篇见。

项目地址:https://github.com/zhangoneone/stc89c52

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