从零手写操作系统之RVOS软件定时器实现-08

定时器分类
软件定时器的分类
软件定时器设计与实现
- 软件定时器调用流程
- 增加对周期性定时任务支持
- 测试
- 优化点

本系列参考: 学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春整理而来，主要作为xv6操作系统学习的一个前置基础。

RVOS是本课程基于RISC-V搭建的简易操作系统名称。

课程代码和环境搭建教程参考github仓库: https://github.com/plctlab/riscv-operating-system-mooc/blob/main/howto-run-with-ubuntu1804_zh.md

前置知识:

RVOS环境搭建-01
RVOS操作系统内存管理简单实现-02
RVOS操作系统协作式多任务切换实现-03
RISC-V 学习篇之特权架构下的中断异常处理
从零手写操作系统之RVOS外设中断实现-04
从零手写操作系统之RVOS硬件定时器-05
从零手写操作系统之RVOS抢占式多任务实现-06
从零手写操作系统之RVOS任务同步和锁实现-07

定时器分类

硬件定时器：芯片本身提供的定时器，一般由外部晶振提供，提供寄存器设置超时时间，并采用外部中断
方式通知 CPU，参考硬件定时器一节的介绍。优点是精度高，但定时器个数受硬件芯片的设计限制。
软件定时器：操作系统中基于硬件定时器提供的功能，采用软件方式实现。扩展了硬件定时器的限制，可以提供数目更多（几乎不受限制）的定时器；缺点是精度较低，必须是 Tick 的整数倍。

软件定时器的分类

在这里插入图片描述
本节采用超时函数运行在中断上下文环境中，因为比较简单。

软件定时器设计与实现

code/os/10-swtimer/os.h

/* software timer */
struct timer {//定时器超时后,任务执行器函数的入口地址void (*func)(void *arg);//参数void *arg;//超时计数器uint32_t timeout_tick;
};
//创建一个软件定时器任务 --- 任务执行器函数入口地址,函数实参,超时时间
extern struct timer *timer_create(void (*handler)(void *arg), void *arg, uint32_t timeout);
//删除一个软件定时器任务
extern void timer_delete(struct timer *timer);

code/os/10-swtimer/timer.c

timer.c文件是硬件定时器小节新增的,用于实现对硬件定时器模块支持

//最多支持同时存在10个软件定时器
#define MAX_TIMER 10
//采用数组存放软件定时器列表
static struct timer timer_list[MAX_TIMER];

code/os/10-swtimer/timer.c

//在原有的硬件定时器初始化逻辑之上,增加对软件定时器模块初始化支持
void timer_init()
{//初始化所有软件定时器任务struct timer *t = &(timer_list[0]);for (int i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {//将每个任务的func和arg清空t->func = NULL; /* use .func to flag if the item is used */t->arg = NULL;t++;}//--------------------下面是硬件定时器模块的初始化逻辑---------------------------------/** On reset, mtime is cleared to zero, but the mtimecmp registers * are not reset. So we have to init the mtimecmp manually.*///硬件定时器模块初始化---传入interval间隔大约为1stimer_load(TIMER_INTERVAL);/* enable machine-mode timer interrupts. *///设置mie寄存器的MTIE位为1,开启时钟中断w_mie(r_mie() | MIE_MTIE);
}/* load timer interval(in ticks) for next timer interrupt.*/
void timer_load(int interval)
{/* each CPU has a separate source of timer interrupts. *///获取当前hartIdint id = r_mhartid();//设置mtimecmp寄存器的值为mtime寄存器的值+interval*(uint64_t*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(uint64_t*)CLINT_MTIME + interval;
}

code/os/10-swtimer/timer.c

//创建软件定时器任务
struct timer *timer_create(void (*handler)(void *arg), void *arg, uint32_t timeout)
{/* TBD: params should be checked more, but now we just simplify this */if (NULL == handler || 0 == timeout) {return NULL;}/* use lock to protect the shared timer_list between multiple tasks *///使用锁来保护对共享软件定时器任务列表的操作---此处采用关中断实现spin_lock();//从软件定时器数组中寻找到第一个空位struct timer *t = &(timer_list[0]);for (int i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {if (NULL == t->func) {break;}t++;}//如果没有剩余空位,那么返回NULL,表示软件定时器数组满了,创建失败if (NULL != t->func) {spin_unlock();return NULL;}//初始化软件定时任务t->func = handler;t->arg = arg;//_tick变量,记录系统从启动开始到现在为止,产生的时钟中断次数//_tick + timeout表示,从现在开始的第timeout次时钟中断后,软件定时器任务到期//由于本课程中默认设置时钟中断间隔为1s,所以等同于说: 软件定时器任务timeout秒后被调用执行t->timeout_tick = _tick + timeout;//释放锁spin_unlock();return t;
}//--------------------下面是硬件定时器小节添加的逻辑---------------------------------//用于记录
static uint32_t _tick = 0;//发生定时器中断时,会调用该处理函数
void timer_handler() {//不断累加,记录系统从启动开始到现在为止,产生的时钟中断次数_tick++;printf("tick: %d\n", _tick);//本节在定时器中断处理函数中新增对软件定时器任务到期检查timer_check();//重置下一次时钟中断发生时间 -- 1s发生一次timer_load(TIMER_INTERVAL);//进行任务调度schedule();
}

code/os/10-swtimer/timer.c

void timer_delete(struct timer *timer)
{//使用锁来保护对共享软件定时器任务列表的操作---此处采用关中断实现spin_lock();struct timer *t = &(timer_list[0]);for (int i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {//定位到目标软件定时器,然后清空func和arg即可if (t == timer) {t->func = NULL;t->arg = NULL;break;}t++;}//释放锁spin_unlock();
}

软件定时器调用流程

在这里插入图片描述

时钟中断发生,调用timer_handler函数
timer_handler函数中首先增加tick数，然后判断是否存在到期的软件定时器
如果存在,则直接在中断上下文环境中执行我们的软件定时器任务

/* this routine should be called in interrupt context (interrupt is disabled) */
static inline void timer_check()
{struct timer *t = &(timer_list[0]);for (int i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {if (NULL != t->func) {//判断是否有软件定时器任务到期if (_tick >= t->timeout_tick) {//发现一个到期的软件定时器任务,触发任务执行t->func(t->arg);/* once time, just delete it after timeout *///只会触发一次,触发后,就删除当前定时器任务t->func = NULL;t->arg = NULL;//跳出循环,一次时钟中断,最多执行一个到期的定时器任务break;}}t++;}
}

timer_check函数处理思路很简单，如下图所示:
在这里插入图片描述

增加对周期性定时任务支持

code/os/10-swtimer/timer.c

timer结构体中新增两个属性,用于记录当前任务是否为周期性任务和周期性任务触发间隔

/* software timer */
struct timer {void (*func)(void *arg);void *arg;//是否为周期性任务uint32_t period;//周期性触发间隔uint32_t period_time;//下一次触发时机uint32_t timeout_tick;
};

定时任务创建:
timer_check函数中增加对周期性任务和一次性任务的区分处理

/* this routine should be called in interrupt context (interrupt is disabled) */
static inline void timer_check()
{struct timer *t = &(timer_list[0]);for (int i = 0; i < MAX_TIMER; i++) {if (NULL != t->func) {if (_tick >= t->timeout_tick) {t->func(t->arg);//非周期性任务,执行完直接删除if(t->period<=0){/* once time, just delete it after timeout */t->func = NULL;t->arg = NULL;t->period=0;t->period_time=0;}else{//更新周期性任务下一次触发的时间t->timeout_tick=_tick+t->period_time;}break;}}t++;}
}

测试

user.c文件中,我们在任务0中创建定时器任务,然后测试其执行效果:

#include "os.h"
#define DELAY 4000void timer_func(void *arg)
{if (NULL == arg)return;printf("%s\n",arg);
}void user_task0(void)
{uart_puts("Task 0: Created!\n");//创建一个周期性任务struct timer *t1 = timer_create(timer_func,"task 1", 3,1);if (NULL == t1) {printf("timer_create() failed!\n");}//下面创建两个一次性定时任务struct timer *t2 = timer_create(timer_func, "task 2", 5,0);if (NULL == t2) {printf("timer_create() failed!\n");}struct timer *t3 = timer_create(timer_func, "task 3", 7,0);if (NULL == t3) {printf("timer_create() failed!\n");}while (1) {uart_puts("Task 0: Running... \n");task_delay(DELAY);}
}void user_task1(void)
{uart_puts("Task 1: Created!\n");while (1) {uart_puts("Task 1: Running... \n");task_delay(DELAY);}
}/* NOTICE: DON'T LOOP INFINITELY IN main() */
void os_main(void)
{task_create(user_task0);task_create(user_task1);
}