FreeRTOS 手动移植教程（七）：软件定时器 —— 不占硬件 Timer 的定时回调

在上一篇文章中，我们学习了互斥量，解决了共享资源保护与优先级反转问题。本篇将介绍 FreeRTOS 的软件定时器，它无需占用额外的硬件定时器资源，即可实现单次或周期性的定时回调。我们将通过实验演示如何创建、启动、停止软件定时器，并总结使用中的关键注意事项。

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一、软件定时器与硬件定时器的区别

硬件定时器（如 TIM1、SysTick）直接由 MCU 外设实现，精度高、实时性强，但数量有限且配置相对复杂。

FreeRTOS 的软件定时器完全由内核通过一个守护任务（Timer Service Task）实现，它利用系统节拍来检查定时器是否超时，并执行对应的回调函数。其优点包括：

• 不占用额外硬件资源；
• 可以动态创建、删除；
• 回调函数运行在守护任务的上下文，可以安全调用大多数 FreeRTOS API（除部分阻塞函数外）。

当然，软件定时器的精度受系统节拍频率限制（通常为 1ms），且回调执行时间不确定（受守护任务优先级影响），不适用于微秒级硬实时需求。

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二、软件定时器的关键 API

功能	API 名称	说明
创建定时器	xTimerCreate	返回定时器句柄，需指定名称、周期、是否自动重载、ID、回调函数
启动定时器	xTimerStart	启动后开始计时
停止定时器	xTimerStop	停止计时，不触发回调
从 ISR 启动	xTimerStartFromISR	中断中使用的启动版本
从 ISR 停止	xTimerStopFromISR	中断中使用的停止版本
更改周期	xTimerChangePeriod	修改定时器的超时时间
获取定时器 ID	pvTimerGetTimerID	返回创建时绑定的 ID 指针
删除定时器	xTimerDelete	释放定时器资源

使用软件定时器前，必须在 FreeRTOSConfig.h 中将 configUSE_TIMERS 设置为 1，并配置 configTIMER_TASK_PRIORITY 和 configTIMER_QUEUE_LENGTH 等参数。这些在系列第一篇的配置文件中已经设置好，此处无需额外修改。

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三、硬件准备与配置

本实验使用板载 PC13 LED，通过软件定时器实现不同频率的闪烁，无需额外硬件。BSP 文件沿用之前的 bsp_led.h 和 bsp_led.c，包含 LED_InitAll() 和 LED3_Toggle() 即可。

确保在 main() 开头调用了：

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);

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四、实验一：单次定时器

创建一个只运行一次的软件定时器，延时 3 秒后翻转一次 LED，之后不再触发。

4.1 代码实现

#include "stm32f10x.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"
#include "bsp_led.h"

TimerHandle_t xOneShotTimer = NULL;

/* 定时器回调函数 */
void vOneShotCallback(TimerHandle_t xTimer)
{
    LED3_Toggle();   // 3 秒后翻转一次 LED
}

int main(void)
{
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
    LED_InitAll();

    /* 创建单次定时器：
       参数：名称、周期(3s)、自动重载(pdFALSE)、定时器 ID(0)、回调函数 */
    xOneShotTimer = xTimerCreate(
        "OneShot",
        pdMS_TO_TICKS(3000),
        pdFALSE,          // 单次模式，不自动重载
        (void *)0,
        vOneShotCallback
    );

    if (xOneShotTimer != NULL)
    {
        xTimerStart(xOneShotTimer, 0);  // 启动，超时时间 0 表示立刻开始计时
    }

    vTaskStartScheduler();
    while (1);
}

4.2 实验现象

上电后 LED 保持初始状态（灭），3 秒后翻转一次，之后不再变化。单次定时器适合实现"延时执行"的功能，比在任务中使用 vTaskDelay 更简洁，且不占用额外的任务堆栈。

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五、实验二：周期定时器

创建一个自动重载的周期定时器，每 500ms 翻转一次 LED，实现稳定的 1Hz 闪烁。

#include "stm32f10x.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "timers.h"
#include "bsp_led.h"

TimerHandle_t xPeriodicTimer = NULL;

/* 定时器回调函数 */
void vPeriodicCallback(TimerHandle_t xTimer)
{
    LED3_Toggle();
}

int main(void)
{
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
    LED_InitAll();

    /* 创建周期定时器：500ms 周期，自动重载 */
    xPeriodicTimer = xTimerCreate(
        "Periodic",
        pdMS_TO_TICKS(500),
        pdTRUE,          // 自动重载，周期触发
        (void *)0,
        vPeriodicCallback
    );

    if (xPeriodicTimer != NULL)
    {
        xTimerStart(xPeriodicTimer, 0);
    }

    vTaskStartScheduler();
    while (1);
}

实验现象：LED 以 1Hz 频率稳定闪烁。这个闪烁完全由软件定时器的回调函数驱动，主任务甚至可以是空的。

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六、动态控制定时器：启动、停止与修改周期

软件定时器可在运行时被其他任务或中断动态控制。我们通过一个按键任务来模拟：按一次按键，启动定时器；再按一次，停止定时器。按键处理仍使用之前的中断加队列方案。

6.1 中断服务函数（位于 stm32f10x_it.c 中）

#include "stm32f10x_it.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"

extern QueueHandle_t xKeyQueue;

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        uint8_t event = 1;
        xQueueSendFromISR(xKeyQueue, &event, &xHigherPriorityTaskWoken);
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

6.2 main.c 实现

#include "stm32f10x.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "timers.h"
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_exti.h"     // 包含 EXTI0_Init()

TimerHandle_t xControlledTimer = NULL;
QueueHandle_t xKeyQueue = NULL;

/* 定时器回调 */
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer)
{
    LED3_Toggle();
}

/* 按键处理任务：根据按键状态切换定时器启停 */
void vKeyTask(void *pvParameters)
{
    uint8_t key_val;
    static uint8_t timer_running = 0;

    while (1)
    {
        if (xQueueReceive(xKeyQueue, &key_val, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            if (!timer_running)
            {
                xTimerStart(xControlledTimer, 0);
                timer_running = 1;
            }
            else
            {
                xTimerStop(xControlledTimer, 0);
                timer_running = 0;
            }
        }
    }
}

int main(void)
{
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
    LED_InitAll();
    EXTI0_Init();   // PA0 按键中断

    /* 创建队列，用于传递按键事件 */
    xKeyQueue = xQueueCreate(5, sizeof(uint8_t));
    if (xKeyQueue == NULL) while (1);

    /* 创建周期定时器，默认不启动（后续由任务启动） */
    xControlledTimer = xTimerCreate(
        "CtrlTimer",
        pdMS_TO_TICKS(200),
        pdTRUE,
        (void *)0,
        vTimerCallback
    );
    if (xControlledTimer == NULL) while (1);

    xTaskCreate(vKeyTask, "KeyTask", 128, NULL, 1, NULL);

    vTaskStartScheduler();
    while (1);
}

实验现象：

• 上电后定时器未启动，LED 不闪烁；
• 第一次按 PA0 按键，定时器启动，LED 以 2.5Hz（200ms 周期）闪烁；
• 再次按键，定时器停止，LED 保持当前状态不变；
• 后续每次按键交替切换启停状态。

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七、软件定时器的注意事项

1. 回调函数不要阻塞

   回调函数运行在 Timer Service Task 中，如果在该任务中调用 vTaskDelay 或等待信号量等阻塞操作，将导致整个定时器守护任务挂起，所有定时器都无法回调。务必保证回调函数快速执行完毕。

2. 定时精度

   软件定时器的精度为一个系统节拍（通常 1ms），并且回调实际执行时间受守护任务优先级影响。如需微秒级精确控制，请使用硬件定时器。

3. 回调函数中可以调用的 API

   大多数 FreeRTOS API 都可以在回调中使用，但需注意：不能调用可能导致守护任务阻塞的 API （如等待队列、信号量、互斥量等）。一般可以进行 xSemaphoreGive、xQueueSend 等非阻塞操作来通知其他任务。

4. 定时器的删除

   如果不确定定时器是否正在运行，删除前应调用 xTimerStop 确保其已停止。在回调函数中删除自己是不安全的行为，应避免。

5. 与任务配合

   软件定时器非常适合触发动作后立即将具体处理交给任务。例如在回调中释放一个信号量或发送队列消息，由专门的任务负责长时间操作，这样既保证了定时精度，又不会阻塞守护任务。

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八、总结

本篇学习了 FreeRTOS 软件定时器的使用：

• 单次定时器用于延时执行；
• 周期定时器可替代硬件定时器，实现周期性回调；
• 定时器可被任务动态控制启停，灵活集成到应用逻辑中。

软件定时器为系统设计提供了极大的便利，在需要简单定时功能的场合应优先考虑。下一篇文章，我们将回到中断管理的话题，更系统地梳理 FreeRTOS 下中断优先级、临界区以及如何与任务高效协作。

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