FreeRTOS:软件定时器（Software Timers）与时间管理

软件定时器（Software Timers）与时间管理

本课目标：掌握 FreeRTOS 软件定时器的概念、常用 API 与最佳实践，以及与任务延时（vTaskDelay / vTaskDelayUntil）的比较。附带实验示例：用软件定时器触发周期性处理并给出代码与流程图。

0. 为什么需要软件定时器？

软件定时器是 RTOS 提供的一种在内核定时服务（Timer Daemon Task）上下文中运行的回调机制，用于把时间驱动的动作从任务中解耦出来。它适合：

想要在将来某个时间点执行短小操作
不想为定时唤醒写一个单独的高优先级任务
需要"轻量级的延时回调"而不涉及硬件定时器复杂性

软件定时器的回调在定时器服务任务里运行（即任务上下文），不是 ISR。回调中不应长时间阻塞；若需要长时间处理，应使用回调来通知一个任务（例如通过信号量或任务通知）。

1. 常用 Timer API（精讲）

1.1 xTimerCreate

c 复制代码

TimerHandle_t xTimerCreate(
    const char * const pcTimerName,
    const TickType_t xTimerPeriodInTicks,
    const UBaseType_t uxAutoReload,
    void * pvTimerID,
    TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction
);

pcTimerName：调试用名字
xTimerPeriodInTicks：以 tick 为单位的周期
uxAutoReload：pdTRUE 表示周期性（auto-reload），pdFALSE 表示一次性（one-shot）
pvTimerID：用户自定义指针（可在回调中通过 pvTimerGetTimerID 取回）
pxCallbackFunction：回调函数，签名为 void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer)

1.2 xTimerStart / xTimerReset / xTimerStop / xTimerChangePeriod

xTimerStart(xTimer, xTicksToWait)：启动计时器（若已启动可返回成功或错误，视实现而定）
xTimerReset(xTimer, xTicksToWait)：把计时器余时重置为原始周期（常用于 one-shot）
xTimerStop(xTimer, xTicksToWait)：停止计时器
xTimerChangePeriod(xTimer, xNewPeriod, xTicksToWait)：改变周期（常用于动态调整）

所有这些 API 都可以在任务上下文中阻塞一段 xTicksToWait，但最好不要在回调中阻塞。

1.3 FromISR 版本

FreeRTOS 提供 ISR 安全的版本（如 xTimerStartFromISR、xTimerStopFromISR 等），允许在中断中控制软件定时器。

1.4 xTimerDelete

删除计时器并释放资源：

c 复制代码

BaseType_t xTimerDelete(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait);

2. 回调上下文的重要注意点

回调执行于定时器服务任务 ，它有自己的优先级（由 configTIMER_TASK_PRIORITY 指定）。
回调不是 ISR，不应使用 FromISR 版本的 API
回调中不要做长时间工作 或调用可能阻塞的 API（例如 xSemaphoreTake(..., portMAX_DELAY)）
回调里安全可用的策略：发信号、给队列/任务通知（注意使用非阻塞 xQueueSendFromISR 的替代；在回调中使用标准版本 xQueueSend 是可以的，因为回调是任务上下文）

3. 软件定时器 vs vTaskDelay / vTaskDelayUntil

特性	软件定时器	vTaskDelay / vTaskDelayUntil
运行上下文	定时器服务任务回调	普通任务上下文
精度	受 tick 精度影响	受 tick 精度影响
适用	异步回调、一次性定时；减少任务数量	任务内周期性工作、需要复杂逻辑时
可阻塞	回调中尽量不要阻塞	任务可以阻塞等待或做复杂处理
开销	定时器服务任务调度 + 内存	简单直接，任务切换开销

选择建议：

若只是需要在未来某时触发一个"短小动作"（例如超时、重试、心跳触发）------用软件定时器
若需要周期性且任务需要做大量工作------用独立任务 + vTaskDelayUntil
若需要精确控制执行顺序和阻塞行为，把复杂工作放在任务中，用定时器作为触发器（回调只发通知）

4. 用软件定时器触发周期性处理

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"

static TimerHandle_t xPeriodicTimer = NULL;
static TaskHandle_t xWorkerTask = NULL;

void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer)
{
    // 在定时器服务任务中运行：通知 worker 任务
    xTaskNotifyGive(xWorkerTask);
}

void vWorkerTask(void *pv)
{
    for (;;) {
        // 等待来自定时器的通知
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        // 收到通知，执行工作
        printf("[Worker] Timer fired at tick %lu\n", (unsigned long)xTaskGetTickCount());
        // 模拟短工作
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50));
    }
}

int main(void)
{
    // 创建周期性软件定时器，周期 500ms
    xPeriodicTimer = xTimerCreate("Periodic", pdMS_TO_TICKS(500), pdTRUE, NULL, vTimerCallback);
    if (xPeriodicTimer == NULL) {
        printf("Failed to create timer\n");
        return -1;
    }

    xTaskCreate(vWorkerTask, "Worker", 256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 2, &xWorkerTask);

    // 启动定时器
    if (xTimerStart(xPeriodicTimer, 0) != pdPASS) {
        printf("Failed to start timer\n");
        return -1;
    }

    vTaskStartScheduler();
    for (;;);
}

对比代码

c 复制代码

void vWorkerPeriodic(void *pv)
{
    TickType_t last = xTaskGetTickCount();
    const TickType_t period = pdMS_TO_TICKS(500);

    for (;;) {
        // 做工作
        printf("[WorkerDelay] tick %lu\n", (unsigned long)xTaskGetTickCount());
        vTaskDelayUntil(&last, period);
    }
}

对比要点：

使用 vTaskDelayUntil 的任务在其自身上下文里运行，做更多复杂工作更方便
使用软件定时器可以减少任务数量（定时器回调分发），更易于集中管理超时/重试逻辑