FreeRTOS 软件定时器

FreeRTOS 软件定时器

FreeRTOS 也提供了定时器功能，不过是软件定时器，软件定时器的精度肯定没有硬件定时器那么高，但是对于普通的精度要求不高的周期性处理的任务来说够了。当 MCU 的硬件定时器不够的时候就可以考虑使用 FreeRTOS 的软件定时器

软件定时器简介

软件定时器允许设置一段时间，当设置的时间到达之后就执行指定的功能函数，被定时器调用的这个功能函数叫做定时器的回调函数。回调函数的两次执行间隔叫做定时器的定时周期，简而言之，当定时器的定时周期到了以后就会执行回调函数。

在实时操作系统（RTOS）中，软件定时器的设计通常是为了在特定的时间点执行一段代码，而这段代码是通过定时器的回调函数来实现的。定时器服务任务（或称为定时器守护任务）是一个特殊的任务，负责管理和执行所有软件定时器的回调函数。这里面涉及到几个关键的概念和原因，解释为什么在定时器回调函数中调用可能会阻塞任务的API函数是不合适的：

1. 任务优先级

定时器服务任务通常运行在一个相对较低的优先级。如果在定时器的回调函数中调用了阻塞API（如vTaskDelay()或访问队列和信号量的阻塞调用），这将导致定时器服务任务被阻塞。因为定时器服务任务负责处理所有定时器的回调，其被阻塞意味着所有的定时器回调都会被延迟执行，这会影响到系统中其他定时器的准确性和可靠性。

2. 资源共享和死锁

在定时器回调函数中调用可能导致阻塞的API，尤其是那些涉及到资源访问（如队列、信号量等）的API，可能会引起死锁。因为定时器服务任务和其他任务可能会同时试图访问同一资源，如果没有合适的同步机制，这就可能导致死锁情况的发生。

3. 实时性

实时操作系统的一个核心目标是保证任务的实时性，即任务能够在规定的时间内完成。在定时器回调中调用阻塞API会违背这一原则，因为它会使得定时器服务任务无法及时响应其他定时器的到期事件。这样不仅会影响当前定时器的准时性，还会影响到系统中其他定时器的准时性。

4. 系统的可预测性

在定时器回调中使用阻塞API会降低系统的可预测性。RTOS设计之初就是为了提供可预测的行为，即在任何给定的情况下，系统的行为都是可以预测的。定时器服务任务如果被阻塞，系统的响应时间会变得不可预测，这对于需要严格时间控制的实时系统来说是不可接受的。

5. 效率问题

最后，即使不考虑上述问题，定时器回调中调用阻塞API也是一种效率低下的做法。定时器服务任务被阻塞意味着CPU资源被闲置，这在资源受限的嵌入式系统中是一种浪费。

定时器服务/Daemon 任务

定时器是一个可选的、不属于 FreeRTOS 内核的功能，它是由定时器服务(或 Daemon)任务来提供的。FreeRTOS 提供了很多定时器有关的 API 函数，这些 API 函数大多都使用 FreeRTOS的队列发送命令给定时器服务任务。这个队列叫做定时器命令队列。定时器命令队列是提供给FreeRTOS 的软件定时器使用的，用户不能直接访问！

并且会在某个用户创建的用户任务中调用。图中右侧部分是定时器服务任务的任务函数，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。在这个例子中，应用程序调用了函数 xTimerReset()，结果就是复位命令会被发送到定时器命令队列中，定时器服务任务会处理这个命令。应用程序是通过函数 xTimerReset()
间接的向定时器命令队列发送了复位命令，并不是直接调用类似 xQueueSend()这样的队列操作函数发送的。

定时器相关配置

定时器相关配置需要去FreeRTOSconfig.h中去配置对应的宏定义：

1、configUSE_TIMERS

如果要使用软件定时器的话宏 configUSE_TIMERS 一定要设置为 1，当设置为 1 的话定时器服务任务就会在启动 FreeRTOS 调度器的时候自动创建。

2、configTIMER_TASK_PRIORITY

设置软件定时器服务任务的任务优先级，可以为 0~( configMAX_PRIORITIES-1)。优先级一定要根据实际的应用要求来设置。如果定时器服务任务的优先级设置的高的话，定时器命令队列中的命令和定时器回调函数就会及时的得到处理。

3、configTIMER_QUEUE_LENGTH

此宏用来设置定时器命令队列的队列长度。

4、configTIMER_TASK_STACK_DEPTH

此宏用来设置定时器服务任务的任务堆栈大小，单位为字，不是字节！，对于 STM32 来说一个字是 4 字节。由于定时器服务任务中会执行定时器的回调函数，因此任务堆栈的大小一定要根据定时器的回调函数来设置。

单次定时器和周期定时器

单次定时器和周期定时器的区别就是单次定时器只能运行单次，周期定时器根据周期去运转。具体为原子文档中的下图：

复位软件定时器

复位软件定时器的话会重新计算定时周期到达的时间点，这个新的时间点是相对于复位定时器的那个时刻计算的，并不是第一次启动软件定时器的那个时间点。下图 演示了这个过程，Timer1 是单次定时器，定时周期是 5s：

FreeRTOS 提供了两个 API 函数来完成软件定时器的复位：

xTimerReset() 复位软件定时器，用在任务中。
xTimerResetFromISR() 复位软件定时器，用在中断服务函数中

函数 xTimerReset()

复位一个软件定时器，此函数只能用在任务中，不能用于中断服务函数！此函数是一个宏，真正执行的是函数 xTimerGenericCommand()，函数原型如下：

BaseType_t xTimerReset( TimerHandle_t xTimer, 
TickType_t xTicksToWait )
参数：
xTimer： 要复位的软件定时器的句柄。
xTicksToWait： 设置阻塞时间，调用函数 xTimerReset ()开启软件定时器其实就是向定时器命
令队列发送一条 tmrCOMMAND_RESET 命令，既然是向队列发送消息，那
肯定会涉及到入队阻塞时间的设置。
返回值： 
pdPASS: 软件定时器复位成功，其实就是命令发送成功。
pdFAIL: 软件定时器复位失败，命令发送失败。

函数 xTimerResetFromISR()

此函数是 xTimerReset()的中断版本，此函数用于中断服务函数中！此函数是一个宏，真正执行的是函数 xTimerGenericCommand()，函数原型如下：

BaseType_t xTimerResetFromISR( TimerHandle_t xTimer,
BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken );
参数：
xTimer： 要复位的软件定时器的句柄。
pxHigherPriorityTaskWoken： 记退出此函数以后是否进行任务切换，这个变量的值函数会自动设置的，用户不用进行
设置，用户只需要提供一个变量来保存这个值就行了。当此值为 pdTRUE 的时候在退出中断服务函数之前一定要进行
一次任务切换。
返回值： 
pdPASS: 软件定时器复位成功，其实就是命令发送成功。
pdFAIL: 软件定时器复位失败，命令发送失败。

创建软件定时器

使用软件定时器之前要先创建软件定时器，

xTimerCreate() 使用动态方法创建软件定时器。
xTimerCreateStatic() 使用静态方法创建软件定时器。

函数 xTiemrCreate()

此函数用于创建一个软件定时器，所需要的内存通过动态内存管理方法分配。新创建的软件 定 时 器 处 于 休 眠 状 态 ， 也 就 是 未 运 行 的 。 函 数 xTimerStart() 、 xTimerReset() 、xTimerStartFromISR() 、 xTimerResetFromISR() 、 xTimerChangePeriod() 和xTimerChangePeriodFromISR()可以使新创建的定时器进入活动状态，此函数的原型如下：

TimerHandle_t xTimerCreate(const char * const pcTimerName,
						   TickType_t xTimerPeriodInTicks,
						   UBaseType_t uxAutoReload,
						   void * pvTimerID,
						   TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction ) 	
参数：
pcTimerName： 软件定时器名字，名字是一串字符串，用于调试使用。
xTimerPeriodInTicks ： 软件定时器的定时器周期， 单位是时钟节拍数。可以借助portTICK_PERIOD_MS 
将 ms 单位转换为时钟节拍数。举个例子，定时器的周期为 100 个时钟节拍的话，
那么 xTimerPeriodInTicks 就为100，当定时器周期为 500ms 的时候 
xTimerPeriodInTicks 就可以设置为(500/ portTICK_PERIOD_MS)。
uxAutoReload： 设置定时器模式，单次定时器还是周期定时器？当
此参数为 pdTRUE的时候表示创建的是周期定时器。如果为 pdFALSE 的
话表示创建的是单次定时器。pvTimerID： 定时器 ID 号，一般情况下
每个定时器都有一个回调函数，当定时器定时周期到了以后就会执行这
个回调函数。但是 FreeRTOS 也支持多个定时器共用同一个回调函数，
在回调函数中根据定时器的 ID 号来处理不同的定时器。pxCallbackFunction： 
定时器回调函数，当定时器定时周期到了以后就会调用这个函数。
返回值： 
NULL: 软件定时器创建失败。
其他值: 创建成功的软件定时器句柄。

函数 xTimerCreateStatic()

此函数用于创建一个软件定时器，所需要的内存需要用户自行分配。新创建的软件定时器处于休眠状态，也就是未运行的。函数 xTimerStart()、xTimerReset()、xTimerStartFromISR()、xTimerResetFromISR()、xTimerChangePeriod()和 xTimerChangePeriodFromISR()可以使新创建的定时器进入活动状态，此函数的原型如下：

TimerHandle_t xTimerCreateStatic(const char * const pcTimerName,
								 TickType_t xTimerPeriodInTicks,
								 UBaseType_t uxAutoReload,
								 void * pvTimerID,
								 TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction,
								 StaticTimer_t * pxTimerBuffer )
参数：
pcTimerName： 软件定时器名字，名字是一串字符串，用于调试使用。
xTimerPeriodInTicks ： 软件定时器的定时器周期， 单位是时钟节拍数。可以借助
portTICK_PERIOD_MS 将 ms 单位转换为时钟节拍数。举个例子，定
时器的周期为 100 个时钟节拍的话，那么 xTimerPeriodInTicks 就为
100，当定时器周期为 500ms 的时候 xTimerPeriodInTicks 就可以设置
为(500/ portTICK_PERIOD_MS)。
uxAutoReload： 设置定时器模式，单次定时器还是周期定时器？当此参数为 pdTRUE
的时候表示创建的是周期定时器。如果为 pdFALSE 的话表示创建的
是单次定时器。
pvTimerID： 定时器 ID 号，一般情况下每个定时器都有一个回调函数，当定时器定
时周期到了以后就会执行这个回调函数。当时 FreeRTOS 也支持多个
定时器共用同一个回调函数，在回调函数中根据定时器的 ID 号来处
理不同的定时器。
pxCallbackFunction： 定时器回调函数，当定时器定时周期到了以后就会调用这个函数。
pxTimerBuffer： 参数指向一个 StaticTimer_t 类型的变量，用来保存定时器结构体。
返回值： 
NULL: 软件定时器创建失败。
其他值: 创建成功的软件定时器句柄。

开启软件定时器

如果软件定时器停止运行的话可以使用 FreeRTOS 提供的两个开启函数来重新启动软件定时器

xTimerStart() 开启软件定时器，用于任务中。
xTimerStartFromISR() 开启软件定时器，用于中断中。

函数 xTimerStart()

启动软件定时器，函数 xTimerStartFromISR()是这个函数的中断版本，可以用在中断服务函数中。如果软件定时器没有运行的话调用函数 xTimerStart()就会计算定时器到期时间，如果软件定时器正在运行的话调用函数 xTimerStart()的结果和 xTimerReset()一样。此函数是个宏，真正执行的是函数 xTimerGenericCommand，函数原型如下：

BaseType_t xTimerStart( TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait )
参数：
xTimer： 要开启的软件定时器的句柄。
xTicksToWait： 设置阻塞时间，调用函数 xTimerStart()开启软件定时器其实就是向定时器命令
队列发送一条 tmrCOMMAND_START 命令，既然是向队列发送消息，那肯
定会涉及到入队阻塞时间的设置。
返回值： 
pdPASS: 软件定时器开启成功，其实就是命令发送成功。
pdFAIL: 软件定时器开启失败，命令发送失败。

函数 xTimerStartFromISR()

此函数是函数 xTimerStart()的中断版本，用在中断服务函数中，此函数是一个宏，真正执行的是函数 xTimerGenericCommand()，此函数原型如下：

BaseType_t xTimerStartFromISR( TimerHandle_t xTimer,
BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken );
参数：
xTimer： 要开启的软件定时器的句柄。
pxHigherPriorityTaskWoken： 标记退出此函数以后是否进行任务切换，这个变量的值函数会自动设置的，用户不用进行设置，用户只需要提供一个变量来保存这个值就行了。当此值为 pdTRUE 的时候在退出中断服务
函数之前一定要进行一次任务切换。
返回值： 
pdPASS: 软件定时器开启成功，其实就是命令发送成功。
pdFAIL: 软件定时器开启失败，命令发送失败。

停止软件定时器

既然有开启软件定时器的 API 函数，那么肯定也有停止软件定时器的函数，FreeRTOS 也提供了两个用于停止软件定时器的 API 函数，

xTimerStop() 停止软件定时器，用于任务中。
xTimerStopFromISR() 停止软件定时器，用于中断服务函数中。

函数 xTimerStop()

此函数用于停止一个软件定时器，此函数用于任务中，不能用在中断服务函数中！此函数是一个宏，真正调用的是函数 xTimerGenericCommand()，函数原型如下：

BaseType_t xTimerStop ( TimerHandle_t xTimer, 
TickType_t xTicksToWait )
参数：
xTimer： 要停止的软件定时器的句柄。
xTicksToWait： 设置阻塞时间，调用函数 xTimerStop()停止软件定时器其实就是向定时器命令
队列发送一条 tmrCOMMAND_STOP 命令，既然是向队列发送消息，那肯定
会涉及到入队阻塞时间的设置。
返回值： 
pdPASS: 软件定时器停止成功，其实就是命令发送成功。
pdFAIL: 软件定时器停止失败，命令发送失败。

函数 xTimerStopFromISR()

此函数是 xTimerStop()的中断版本，此函数用于中断服务函数中！此函数是一个宏，真正执行的是函数 xTimerGenericCommand()，函数原型如下：

BaseType_t xTimerStopFromISR( TimerHandle_t xTimer,BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken );
参数：
xTimer： 要停止的软件定时器句柄。
pxHigherPriorityTaskWoken： 标记退出此函数以后是否进行任务切换，这个变量的值函数会
自动设置的，用户不用进行设置，用户只需要提供一个变量来保存这个值就行了。
当此值为 pdTRUE 的时候在退出中断服务函数之前一定要进行一次任务切换。
返回值： 
pdPASS: 软件定时器停止成功，其实就是命令发送成功。
pdFAIL: 软件定时器停止失败，命令发送失败。