FreeRTOS系列---软件定时器详解

FreeRTOS 的软件定时器（Software Timer）实现基于任务调度和队列机制，其核心设计围绕 守护任务（Timer Daemon Task） 和 命令队列（Timer Command Queue） 展开。

一、软件定时器的核心结构

1. 定时器控制块（Timer_t）

在 timers.c 中，定时器通过 Timer_t 结构体管理：

typedef struct tmrTimerControl {
    const char *pcTimerName;          // 定时器名称（调试用）
    ListItem_t xTimerListItem;        // 链表项，用于插入定时器列表
    TickType_t xTimerPeriodInTicks;   // 定时周期（以系统节拍为单位）
    void *pvTimerID;                  // 用户自定义ID
    TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction; // 回调函数
    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t uxTimerNumber;    /**< An ID     assigned by trace tools such as FreeRTOS+Trace */
    #endif
    uint8_t ucStatus;                 // 状态位（激活/静态分配/自动重载）
} Timer_t;

• ucStatus：通过位掩码管理定时器状态（如 tmrSTATUS_IS_ACTIVE 表示定时器已激活）。

2. 定时器列表管理

      双列表设计：xActiveTimerList1 和 xActiveTimerList2 用于处理系统节拍溢出。

static List_t xActiveTimerList1, xActiveTimerList2;
static List_t *pxCurrentTimerList = &xActiveTimerList1;
static List_t *pxOverflowTimerList = &xActiveTimerList2;

• 溢出处理：当系统节拍计数器溢出时，切换当前列表和溢出列表（prvSwitchTimerLists）。

二、守护任务（Timer Daemon Task）

1. 任务入口函数 prvTimerTask

守护任务的核心逻辑：

static void prvTimerTask(void *pvParameters) {
    TickType_t xNextExpireTime;
    BaseType_t xListWasEmpty;

    for (;;) {
        // 1. 获取下一个定时器的到期时间
        xNextExpireTime = prvGetNextExpireTime(&xListWasEmpty);
        
        // 2. 处理到期定时器或阻塞等待
        prvProcessTimerOrBlockTask(xNextExpireTime, xListWasEmpty);
        
        // 3. 处理来自队列的命令（如启动/停止定时器）
        prvProcessReceivedCommands();
    }
}

2. 关键操作流程

• 步骤 1：获取下一个到期时间
  通过 prvGetNextExpireTime 从当前活动列表中获取最近到期时间。
• 步骤 2：处理到期或阻塞
  • 如果定时器到期，调用 prvProcessExpiredTimer 处理回调。
  • 如果无到期定时器，通过 vQueueWaitForMessageRestricted 阻塞等待命令或超时。
• 步骤 3：处理命令
  从命令队列 xTimerQueue 中读取并执行操作（如启动、停止、修改周期）。

三、命令队列与定时器操作

1. 命令队列 (xTimerQueue)

• 作用：所有定时器操作（如 xTimerStart()、xTimerStop()）通过发送命令到队列，由守护任务统一处理。
• 命令结构体：DaemonTaskMessage_t 封装命令类型和参数。

  typedef struct tmrTimerQueueMessage {
      BaseType_t xMessageID; // 命令类型（如 tmrCOMMAND_START）
      union {
          TimerParameter_t xTimerParameters; // 定时器相关参数
          CallbackParameters_t xCallbackParameters; // 回调函数参数
      } u;
  } DaemonTaskMessage_t;

2. 定时器启动流程（以 xTimerStart 为例）

1. 用户调用 xTimerStart()
   生成 DaemonTaskMessage_t 消息，发送到 xTimerQueue。
2. 守护任务接收消息
   在 prvProcessReceivedCommands 中解析命令，执行以下操作：
   • 将定时器插入活动列表（prvInsertTimerInActiveList）。
   • 如果定时器已到期，立即触发回调。

四、定时器到期处理

1. 处理到期定时器 (prvProcessExpiredTimer)

static void prvProcessExpiredTimer(TickType_t xNextExpireTime, TickType_t xTimeNow) {
    Timer_t *pxTimer = (Timer_t *)listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY(pxCurrentTimerList);
    
    // 1. 从活动列表中移除定时器
    uxListRemove(&pxTimer->xTimerListItem);
    
    // 2. 如果是自动重载定时器，重新计算到期时间并插入列表
    if (pxTimer->ucStatus & tmrSTATUS_IS_AUTORELOAD) {
        prvReloadTimer(pxTimer, xNextExpireTime, xTimeNow);
    } else {
        pxTimer->ucStatus &= ~tmrSTATUS_IS_ACTIVE; // 标记为非激活
    }
    
    // 3. 执行回调函数
    pxTimer->pxCallbackFunction((TimerHandle_t)pxTimer);
}

2. 自动重载逻辑 (prvReloadTimer)

• 计算新的到期时间：xNextExpireTime + xTimerPeriodInTicks。
• 将定时器重新插入活动列表，处理可能的溢出情况。

五、关键设计细节

1. 系统节拍溢出处理

• 双列表切换：当检测到节拍计数器溢出（xTimeNow < xLastTime），调用 prvSwitchTimerLists 切换当前列表和溢出列表。
• 溢出列表作用：存放因节拍溢出无法立即处理的定时器。

2. 中断安全操作

• 中断中操作定时器：使用 xTimerStartFromISR 或 xTimerResetFromISR，通过 xQueueSendFromISR 发送命令到队列。

3. 静态与动态分配

• 静态分配：通过 xTimerCreateStatic 使用预分配的 StaticTimer_t 内存。
• 动态分配：通过 xTimerCreate 动态申请内存，需在删除时释放。

六、常见问题

1. 回调函数为何不能阻塞？
   回调在守护任务上下文中执行，阻塞会导致其他定时器无法及时处理。

2. 定时器精度如何保证？
   依赖系统节拍频率（configTICK_RATE_HZ），提高频率可提升精度，但增加系统负载。

3. 命令队列溢出如何处理？
   需合理设置 configTIMER_QUEUE_LENGTH，并在发送命令时检查返回值。

总结

FreeRTOS 的软件定时器通过 守护任务 和 命令队列 实现异步管理，其核心设计包括：

• 双列表处理节拍溢出：确保长时间运行下的稳定性。
• 线程安全的命令队列：所有操作由守护任务统一处理。
• 灵活的回调机制：支持单次、周期定时及动态修改。

通过分析源码，可以深入理解定时器的生命周期管理、命令处理流程及底层数据结构设计。