嵌入式系统Chapter7时间.ppt

电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统及应用 电子科技大学嵌入式软件工程中心 第七章 时间管理 电子科技大学嵌入式软件工程中心 主要内容 硬件时钟设备 时间管理 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理一般具有以下功能： 维持日历时间； 任务有限等待的计时； 软定时器的定时管理； 维持系统时间片轮转调度。 时间管理 电子科技大学嵌入式软件工程中心 硬件时钟设备 大多数嵌入式系统有两种时钟源： 实时时钟（real time clock，RTC） 定时器/计数器 实时时钟： 一般靠电池供电，即使系统断电，也可以维持日期 和时间。 实时时钟独立于操作系统，所以也被称为硬件时钟 ，为整个系统提供一个计时标准。 定时器/计数器： 实时内核需要一个定时器作为系统时钟（或称OS时 钟），并由实时内核控制系统时钟工作。 一般情况下，系统时钟的最小粒度是由应用和操作 系统的特点决定的。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 三星44B0X（ARM7）芯片中的RTC 在系统没有上电的情况下，可由后备电池供电； 可以通过ARM的STRB/LDRB操作获取RTC以二进制编码的十进制数据格 式向CPU提供8比特数据。数据包含秒、分、小时、日、月和年等内容； 使用一个外部的32.768KHz晶振； 包括一个闰年产生器； 提供告警中断或是从掉电模式中唤醒的告警功能：； 能够避免2000年问题（即千年虫问题）； 独立的电源引脚； 能够为实时内核的系统时钟提供毫秒级的时间中断； 能够进行循环复位。 Time Tick Generator 26 Clock Divider Reset RegisterLeap Year Generator SECMINHOURDATEDAYMONYEAR Alarm GeneratorControl Register 128 Hz 1 Hz RTCRST TIME TICK RTCCON PMWKUPPWDNALMNT RTCALM TICNT XTAL EXTAL 电子科技大学嵌入式软件工程中心 硬件时钟设备 在不同的操作系统中，实时时钟和系统时钟之间 的关系是不同的。 实时时钟和系统时钟之间的关系通常也被称作 操作系统的时钟运作机制。 一般来说，实时时钟是系统时钟的时间基准， 实时内核通过读取实时时钟来初始化系统时钟 ，此后二者保持同步运行，共同维系系统时间 。 系统时钟并不是本质意义上的时钟，只有当系 统运行起来以后才有效，并且由实时内核完全 控制。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 硬件时钟设备 从硬件的角度来看，定时器（timer）和计 数器（counter）的概念是可以互换的，其 差别主要体现在硬件在特定应用中的使用 情况。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 一个简单的定时器/计数器 包含一个可装入的8位计数寄存器，一个时钟输入信号和一个输出脉冲。 通过软件可以把一个位于0x00和0xFF之间的初始数据转入到计数寄存器。随后 的每一个时钟输入信号都会导致该值被增加。 当8位计数器溢出时，就产生输出脉冲。 输出脉冲可以用来触发处理器上的一个中断，或是在处理器能够读取的地方设 置一个二进制位。 输出脉冲是操作系统时钟的硬件基础，是因为输出脉冲将送到中断控制器上， 产生中断信号，触发时钟中断，由时钟中断服务程序维持操作系统时钟的正常工 作。 为了重启定时器，软件需要重新装入一个相同或不同的初始数据到计数寄存器 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 硬件时钟设备 在一个典型的计数器中，当初始数据被装入后，可 以使用一定的方式来启动计数器。并且，一个实际的 计数器也需要为处理器提供一种通过数据总线读取计数寄 存器当前值的方式。 如果希望定时器能够自动重新装入初始数据，就需 要一个锁存寄存器，以保存处理器所写入的计数数 据。 当处理器向锁存寄存器写入数据时，计数寄存器也被写入了该数据 。 定时器溢出时，定时器产生输出脉冲，然后自动把锁存寄存器中的 数据重新装入到计数寄存器。 由于锁存寄存器仍然拥有处理器写入的数据，计数器将从同样的初 始数据重新开始进行计数。 这样的定时器能够产生与时钟具有相同精度的规则性输出。输出脉 冲产生的周期性中断可以用于实时内核需要的tick，或是为UART提 供一个波特率时钟，或是驱动需要规则脉冲的设备。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 实时内核的时间管理以系统时钟为基础， 系统时钟一般定义为整数或长整数，提供 给应用程序所有和时间有关的服务。 系统时钟是由定时/计数器产生的输出脉冲 触发中断而产生的。 输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答”， 也称为时标、tick。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 tick为系统的相对时间单位，也被称为系统的 时基，来源于定时器的周期性中断，一次中断 表示一个tick。 一个tick与具体时间的对应关系可在初始化定 时器时设定，也就是说，tick所对应的具体时 间长度是可以调整的。 一般来说，实时内核都提供相应的调整机制， 应用可以根据特定情况改变tick对应的时间长 度。 例如，可以使系统5毫秒产生一个tick，也可以是 10毫秒产生一个tick。tick的大小决定了整个系统 的时间粒度。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 通常来说，实时内核提供以下主要与时间 相关的管理： 维持相对时间（时间单位为tick）和日历时间 ； 任务有限等待的计时； 定时功能； 时间片轮转调度的计时。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 void OSTimeDly (INT16U ticks) /* Allocate storage for CPU status register */ #if OS_CRITICAL_METHOD = 3 OS_CPU_SR cpu_sr; #endif if (ticks 0) /* 0 means no delay! */ OS_ENTER_CRITICAL(); if (OSRdyTblOSTCBCur-OSTCBY OSTCBCur-OSTCBDly = ticks; /* Load ticks in TCB */ OS_EXIT_CRITICAL(); OS_Sched(); /* Find next task to run! */ OSTimeDly Under uC/OS-II 电子科技大学嵌入式软件工程中心 the resolution of a delay is between 0 and 1 tick. In other words, if you try to delay for only one tick, you could end up with a delay between 0 and 1 tick. 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 管理功能是通过tick处理程序来实现的。 定时器发生中断后，执行系统时钟中断处理程 序，并在中断处理程序中调用tick处理程序， 实现系统中与时间和定时相关的操作。 tick处理程序作为实时内核的一部分，与具体 的定时器/计数器硬件无关，由系统时钟中断处 理程序调用，使实时内核具有对不同定时器/计 数器硬件的适应性。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 tick处理程序 相对时间处理 任务时间片处理 时间等待链处理 软件定时器处理 日历时间处理 任务调度处理 系统时钟中断服务程序 tick处理程序 tick处理程序 电子科技大学嵌入式软件工程中心 void OSTickISR(void) Save processor registers; Call OSIntEnter() or increment OSIntNesting; if (OSIntNesting = 1) OSTCBCur-OSTCBStkPtr = SP; Call OSTimeTick(); Clear interrupting device; Re-enable interrupts (optional); Call OSIntExit(); Restore processor registers; Execute a return from interrupt instruction; Tick Under uC/OS-II 电子科技大学嵌入式软件工程中心 void OSTimeTick (void) #if OS_CRITICAL_METHOD = 3 OS_CPU_SR cpu_sr; #endif OS_TCB *ptcb; OSTimeTickHook(); (1) #if OS_TIME_GET_SET_EN 0 OS_ENTER_CRITICAL(); OSTime+; (2) OS_EXIT_CRITICAL(); #endif if (OSRunning = TRUE) ptcb = OSTCBList; (3) while (ptcb-OSTCBPrio != OS_IDLE_PRIO) (4) OS_ENTER_CRITICAL(); if (ptcb-OSTCBDly != 0) if (-ptcb-OSTCBDly = 0) if (ptcb-OSTCBStat (6) OSRdyTblptcb-OSTCBY |= ptcb-OSTCBBitX; else ptcb-OSTCBDly = 1; ptcb = ptcb-OSTCBNext; OS_EXIT_CRITICAL(); 电子科技大学嵌入式软件工程中心 void TickTask (void *pdata) pdata = pdata; for (;) OSMboxPend(.); /* Wait for signal from Tick ISR */ OSTimeTick(); OS_Sched(); void OSTickISR(void) Save processor registers; Call OSIntEnter() or increment OSIntNesting; if (OSIntNesting = 1) OSTCBCur-OSTCBStkPtr = SP; Post a dummy message (e.g. (void *)1) to the tick mailbox; Call OSIntExit(); Restore processor registers; Execute a return from interrupt instruction; Tick Under uC/OS-II based on DSR 电子科技大学嵌入式软件工程中心 OSTickISR PROC FAR PUSHA ; Save interrupted tasks context PUSH ES PUSH DS MOV AX, SEG _OSIntNesting ; Reload DS MOV DS, AX INC BYTE PTR _OSIntNesting; Notify uC/OS-II of ISR INT 081H ; Chain into DOSs tick ISR CALL FAR PTR _OSTimeTick ; Process system tick CALL FAR PTR _OSIntExit ; Notify uC/OS-II of end of ISR POP DS ; Restore interrupted tasks context POP ES POPA IRET ; Return to interrupted task _OSTickISR ENDP OSTickISR Under 80x86 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 相对时间即系统时间，是指相对于系统启动以来的时 间，以tick为单位，每发生一个tick，对系统的相对 时间进行一次加1操作。 实时内核根据tick对应的时间长度，可以把相对时间 转换为以秒或是毫秒为单位的其他时间格式，并可根 据实时时钟获得日历时间。 如果对任务设置了时间片处理方式，需要在tick处理 程序中对当前正在运行的任务的已执行时间进行更新 ，使任务的已执行时间数值加1。 执行加1操作后，如果任务的已执行时间同任务的时间片相等 ，表示任务使用完一个时间片的执行时间，需要结束当前任务 的执行，设置调度标志，把当前任务放置到就绪链。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 时间等待链用来存放需要延迟处理的对 象： 产生tick后，需要对时间等待链中的对象的 剩余等待时间值进行处理。 对于时间等待的对象，通常都被组织为差分 链表的方式进行管理，以有效降低时间等待 对象的管理开销。 在时间差分链中，每个表项所包含的计时值 并非当前时刻到表项激活时刻的绝对计数， 而是该表项和先于它的所有表项的计数值之 和。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 3A2B5C4D 3A2B3C4D2E A对象需要等待3个时间单位就应被激活 B对象需要等待5（3+2）个时间单位就应被激活 C对象需要等待10（3+2+5）个时间单位就应被激活 D对象需要等待14（3+2+5+4）个时间单位就应被激活 7E 差分链 由于7-3-2=2，而7-3-2-5=-3， 因此E对象需要插入到差分链中介于对象B和对象C之间的位置。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 对于差分时间链，系统每接收到一个tick ，就修订链首对象的时间值。如果链表对 象的时间单位为tick，则每发生一个tick ，链首对象的时间值就减1，当减到0时， 链首对象就被激活，并从差分时间链中取 下来，下一个对象又成为链首对象。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 为实现定时功能，实时内核需要提供软件 定时器管理功能，应用程序可根据需要创 建、使用软件定时器。 软件定时器在创建时，由用户提供定时值，当 软件定时器的定时值减法计数为0时，触发定时 器服务例程。 用户可在此例程中完成自己需要的操作。 在tick处理程序中需要对软件定时器的定时值 进行减1操作，并在定时值为0时，触发挂接在 该定时器上的服务例程。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 软件定时器可用于实现“看门狗”（watchdog） 。 在应用的某个地方进行软件定时器的停止计时操作， 确保定时器在系统正常运行的情况下不会到期，即不 会触发定时器服务例程； 如果某个时候系统进入了定时器服务例程，就表示使 用停止计时操作的地方没有执行到，系统出现了错误 。 如果需要进行任务的重调度，tick处理程序还需 要调用调度程序进行任务调度处理，使需要执行 的下一个任务获得对CPU的控制。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 在时间方面，内核通常提供以下功能： 设置系统时间。使应用能够设置当前系统的日 期和时间。 获得系统时间。以日历时间、系统启动以来所 经历的tick数等形式获得当前的系统时间。 维护系统时基、处理定时事件。通过时钟中断 ，维持系统日志时间、任务延迟时间、超时、 单调速率周期、实现时间片等内容。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 typedef struct unsigned32 year; /* year*/ unsigned32 month; /* month，1-12 */ unsigned32 day; /* day，1-31 */ unsigned32 hour; /* hour，0-23 */ unsigned32 minute; /* minute，0-59 */ unsigned32 second; /* second，0-59 */ unsigned32 ticks; /* elapsed ticks between secs */ TOD; /*Time Of Day*/ 日历时间数据结构 电子科技大学嵌入式软件工程中心 INT32U OSTimeGet (void) INT32U ticks; OS_ENTER_CRITICAL(); ticks = OSTime; OS_EXIT_CRITICAL(); return (ticks); void OSTimeSet (INT32U ticks) OS_ENTER_CRITICAL(); OSTime = ticks; OS_EXIT_CRITICAL(); OSTimeGet and OSTimeSet Under uC/OS-II 电子科技大学嵌入式软件工程中心 时间管理 在定时方面，内核通常提供以下功能： 创建软件定时器。分配一个定时器数据结构 ，创建一个软件定时器，并为这个定时器分 配用户指定的名字。新创建的定时器没有被 激活，且没有相应的定时器服务例程。软件 定时器创建成功后，将为该定时器分配一个 ID标识。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 typedef struct timer_class class; timer_state state; timer_time initial; timer_time timeRemain; timer_time startT