转：第19章 FreeRTOS定时器组

19.2 定时器任务（Daemon任务）

    为了更好的管理FreeRTOS的定时器组件，专门创建了一个定时器任务，或者称之为Daemon任务。关于这个任务，我们上章节在讲解事件标志组的时候有用到。
    FreeRTOS定时器组的大部分API函数都是通过消息队列给定时器任务发消息，在定时器任务里面执行实际的操作。为了更好的说明这个问题，我们将官方在线版手册中的这个截图贴出来进行说明：

左侧图是用户应用程序，右侧是定时器任务。在用户应用程序里面调用了定时器组API函数xTimerReset，这个函数会通过消息队列给定时器任务发消息，在定时器任务里面执行实际操作。消息队列在此处的作用有一个专门的名字：Timer command queue，即专门发送定时器组命令的队列。

19.3 使用软件定时器组注意事项

    定时器回调函数是在定时器任务中执行的，实际应用中切不可在定时器回调函数中调用任何将定时器任务挂起的函数，比如vTaskDelay(), vTaskDelayUntil()以及非零延迟的消息队列和信号量相关的函数。将定时器任务挂起，会导致定时器任务负责的相关功能都不能正确执行了。

19.4 定时器组API函数


    使用如下20个函数可以实现FreeRTOS的定时器组：
    关于这20个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：
这里我们重点的说以下3个函数：
    （1）    xTimerCreate()
    （2）    xTimerStart ()
    （3）    pvTimerGetTimerID ()
因为本章节配套的例子使用的是这3个函数。

19.4.1 函数xTimerCreate


函数原型：
复制代码
TimerHandle_t xTimerCreate
                 ( const char * const pcTimerName,               /* 定时器名字 */
                   const TickType_t xTimerPeriod,                /* 定时器周期，单位系统时钟节拍 */
                   const UBaseType_t uxAutoReload,               /* 选择单次模式或者周期模式 */
                   void * const pvTimerID,                       /* 定时器ID */
                   TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction ); /* 定时器回调函数 */

函数描述：
函数xTimerCreate用于创建软件定时器。
    （1）第1个参数是定时器名字，用于调试目的，方便识别不同的定时器。
    （2）第2个参数是定时器周期，单位系统时钟节拍。
    （3）第3个参数是选择周期模式还是单次模式，若参数为pdTRUE，则表示选择周期模式，若参数为pdFALSE，则表示选择单次模式。
    （4）第4个参数是定时器ID，当创建不同的定时器，但使用相同的回调函数时，在回调函数中通过不同的ID号来区分不同的定时器。
    （5）第5个参数是定时器回调函数。
    （6）返回值，创建成功返回定时器的句柄，由于FreeRTOSCongfig.h文件中heap空间不足，或者定时器周期设置为0，会返回NULL。

使用这个函数要注意以下问题：
1.     在FreeRTOSConfig.h文件中使能宏定义：
        #defineconfigUSE_TIMERS                            1
使用举例：
复制代码
static TimerHandle_t xTimers = NULL;
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppObjCreate
*    功能说明: 创建任务通信机制
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppObjCreate (void)
{
     const TickType_t  xTimerPer = 100;
   
     /*
        创建定时器，如果在RTOS调度开始前初始化定时器，那么系统启动后才会执行。
     */
     xTimers = xTimerCreate("Timer",            /* 定时器名字 */
                                  xTimerPer,       /* 定时器周期,单位时钟节拍 */
                                  pdTRUE,          /* 周期性 */
                                  (void *) i,      /* 定时器ID */
                                  vTimerCallback); /* 定时器回调函数 */
     if(xTimers == NULL)
     {
         /* 没有创建成功，用户可以在这里加入创建失败的处理机制 */
     }
     else
     {
         /* 启动定时器，系统启动后才开始工作 */
         if(xTimerStart(xTimers, 100) != pdPASS)
         {
              /* 定时器还没有进入激活状态 */
         }
     }
}

19.4.2 函数xTimerStart


函数原型：
复制代码
BaseType_t xTimerStart( TimerHandle_t xTimer,    /* 定时器句柄 */
                        TickType_t xBlockTime ); /* 成功启动定时器前的最大等待时间设置，单位系统时钟节拍 */

函数描述：
函数xTimerStart用于启动软件定时器。
    （1）第1个参数是定时器句柄。
    （2）第2个参数是成功启动定时器前的最大等待时间设置，单位系统时钟节拍，定时器组的大部分API函数不是直接运行的（见19.2小节说明），而是通过消息队列给定时器任务发消息来实现的，此参数设置的等待时间就是当消息队列已经满的情况下，等待消息队列有空间时的最大等待时间。
    （3）返回值，返回pdFAIL表示此函数向消息队列发送消息失败，返回pdPASS表示此函数向消息队列发送消息成功。定时器任务实际执行消息队列发来的命令依赖于定时器任务的优先级，如果定时器任务是高优先级会及时得到执行，如果是低优先级，就要等待其余高优先级任务释放CPU权才可以得到执行。
使用这个函数要注意以下问题：
1.     使用前一定要保证定时器组已经通过函数xTimerCreate创建了。
2.     在FreeRTOSConfig.h文件中使能宏定义：
        #defineconfigUSE_TIMERS                            1
3.     对于已经被激活的定时器，即调用过函数xTimerStart进行启动，再次调用此函数相当于调用了函数xTimerReset对定时器时间进行了复位。
4.     如果在启动FreeRTOS调度器前调用了此函数，定时器是不会立即执行的，需要等到启动了FreeRTOS调度器才会得到执行，即从此刻开始计时，达到xTimerCreate中设置的单次或者周期性延迟时间才会执行相应的回调函数。

使用举例：
复制代码
static TimerHandle_t xTimers = NULL;
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppObjCreate
*    功能说明: 创建任务通信机制
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppObjCreate (void)
{
     const TickType_t  xTimerPer = 100;
   
     /*
        创建定时器，如果在RTOS调度开始前初始化定时器，那么系统启动后才会执行。
     */
     xTimers = xTimerCreate("Timer",            /* 定时器名字 */
                                  xTimerPer,       /* 定时器周期,单位时钟节拍 */
                                  pdTRUE,          /* 周期性 */
                                  (void *) i,      /* 定时器ID */
                                  vTimerCallback); /* 定时器回调函数 */
     if(xTimers == NULL)
     {
         /* 没有创建成功，用户可以在这里加入创建失败的处理机制 */
     }
     else
     {
         /* 启动定时器，系统启动后才开始工作 */
         if(xTimerStart(xTimers, 100) != pdPASS)
         {
              /* 定时器还没有进入激活状态 */
         }
     }
}

19.4.3 函数pvTimerGetTimerID


函数原型：
复制代码
void *pvTimerGetTimerID( TimerHandle_t xTimer ); /* 定时器句柄 */

函数描述：
函数pvTimerGetTimerID用于返回使用函数xTimerCreate创建的软件定时器ID。
    （1）第1个参数是定时器句柄。
    （2）返回值，返回定时器ID。
使用这个函数要注意以下问题：
1.     使用前一定要保证定时器组已经通过函数xTimerCreate创建了。
2.     在FreeRTOSConfig.h文件中使能宏定义：
      #defineconfigUSE_TIMERS                            1
3.     创建不同的定时器时，可以对定时器使用相同的回调函数，在回调函数中通过此函数获取是哪个定时器的时间到了，这个功能就是此函数的主要作用。
使用举例：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: vTimerCallback
*    功能说明: 定时器回调函数
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void vTimerCallback(xTimerHandle pxTimer)
{
     uint32_t ulTimerID;
     configASSERT(pxTimer);
     /* 获取那个定时器时间到 */
     ulTimerID = (uint32_t)pvTimerGetTimerID(pxTimer);
   
     /* 处理定时器0任务 */
     if(ulTimerID == 0)
     {
         bsp_LedToggle(1);
     }
   
     /* 处理定时器1任务 */
     if(ulTimerID == 1)
     {
         bsp_LedToggle(2);
     }
}

19.5 实验例程说明



19.5.1 STM32F103开发板实验


配套例子：
    V4-314_FreeRTOS实验_定时器组
实验目的：
    1.     学习FreeRTOS的定时器组。
实验内容：
    1.     K1按键按下，串口打印任务执行情况（波特率115200，数据位8，奇偶校验位无，停止位1）。
    2.     创建两个软件定时器。
    3.     各个任务实现的功能如下：
              vTaskUserIF任务   ：按键消息处理。
              vTaskLED任务     ：LED闪烁。
              vTaskMsgPro任务 ：消息处理，这里用作LED闪烁。
              vTaskStart任务    ：启动任务，也是最高优先级任务，这里实现按键扫描。

FreeRTOS的配置：
    FreeRTOSConfig.h文件中的配置如下：
复制代码
/* Ensure stdint is only used by the compiler, and not the assembler. */
#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)
#include
extern volatile uint32_t ulHighFrequencyTimerTicks;
#endif
#define configUSE_PREEMPTION         1
#define configUSE_IDLE_HOOK          0
#define configUSE_TICK_HOOK          0
#define configCPU_CLOCK_HZ           ( ( unsigned long ) 72000000 )  
#define configTICK_RATE_HZ           ( ( TickType_t ) 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES         ( 5 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE     ( ( unsigned short ) 128 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
#define configMAX_TASK_NAME_LEN      ( 16 )
#define configUSE_TRACE_FACILITY      1
#define configUSE_16_BIT_TICKS       0
#define configIDLE_SHOULD_YIELD      1
/* Run time and task stats gathering related definitions. */
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS                1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS         1
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()     (ulHighFrequencyTimerTicks = 0ul)
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()             ulHighFrequencyTimerTicks
//#define portALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE           1
/* Co-routine definitions. */
#define configUSE_CO_ROUTINES            0
#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 )
/* Set the following definitions to 1 to include the API function, or zero
to exclude the API function. */
#define INCLUDE_vTaskPrioritySet          1
#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet         1
#define INCLUDE_vTaskDelete               1
#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources      0
#define INCLUDE_vTaskSuspend              1
#define INCLUDE_vTaskDelayUntil           1
#define INCLUDE_vTaskDelay                1
/* Software timer definitions. */
#define configUSE_TIMERS                    1
#define configTIMER_TASK_PRIORITY         ( 2 )
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH          10
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH      ( configMINIMAL_STACK_SIZE * 2 )
/* Cortex-M specific definitions. */
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
     /* __BVIC_PRIO_BITS will be specified when CMSIS is being used. */
     #define configPRIO_BITS              __NVIC_PRIO_BITS
#else
     #define configPRIO_BITS              4        /* 15 priority levels */
#endif
/* The lowest interrupt priority that can be used in a call to a "set priority"
function. */
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY              0x0f
/* The highest interrupt priority that can be used by any interrupt service
routine that makes calls to interrupt safe FreeRTOS API functions.  DO NOT CALL
INTERRUPT SAFE FREERTOS API FUNCTIONS FROM ANY INTERRUPT THAT HAS A HIGHER
PRIORITY THAN THIS! (higher priorities are lower numeric values. */
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY         0x01

几个重要选项说明：
1、#define configUSE_PREEMPTION        1
        使能抢占式调度器
2、#define configCPU_CLOCK_HZ     ( ( unsigned long ) 72000000 )   
        系统主频72MHz。
3、#define configTICK_RATE_HZ              ( ( TickType_t ) 1000 )
        系统时钟节拍1KHz，即1ms。
4、#define configMAX_PRIORITIES          ( 5 )
        定义可供用户使用的最大优先级数，如果这个定义的是5，那么用户可以使用的优先级号是0,1,2,3,4，不包含5，对于这一点，初学者要特别的注意。
5、#define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
        定义堆大小，FreeRTOS内核，用户动态内存申请，任务栈等都需要用这个空间。
6、#define configUSE_TIMERS                         1
        使能定时器组。
7、#define configTIMER_TASK_PRIORITY       ( 2 )
        配置定时器任务的优先级。
8、#define configTIMER_QUEUE_LENGTH       10
        配置定时器任务用到的消息队列大小，即能够存储的消息个数。
9、#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH      ( configMINIMAL_STACK_SIZE * 2 )
        配置定时器任务的任务栈大小。
10、configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY          0x01
        定义受FreeRTOS管理的最高优先级中断。简单的说就是允许用户在这个中断服务程序里面调用FreeRTOS的API的最高优先级。为了进一步说明这个宏定义的的作用，解释如下：
    （1）使用CM内核的MCU，官方强烈建议将NVIC的优先级分组配置为全抢占式优先级，全部配置为抢占式优先级的好处就是方便管理。
    （2）对于STM32来说，设置NVIC的优先级分组为4时，NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4)就是全部配置为抢占式优先级。又因为STM32的优先级设置仅使用CM内核8bit中的高4bit，即只能区分2^4 = 16种优先级。因此当优先级分组设置为4的时候可供用户选择抢占式优先级为0到15，共16个优先级，配置为0表示最高优先级，配置为15表示最低优先级，不存在子优先级。
    （3）这里配置configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY为0x01表示用户可以在抢占式优先级为1到15的中断里面调用FreeRTOS的API函数，抢占式优先级为0的中断里面是不允许调用的。

FreeRTOS任务调试信息（按K1按键，串口打印）：
上面截图中打印出来的任务状态字母B, R, D, S对应如下含义：
    #definetskBLOCKED_CHAR          ( 'B' )  任务阻塞
    #definetskREADY_CHAR           ( 'R' ) 任务就绪
    #definetskDELETED_CHAR           ( 'D' )  任务删除
    #definetskSUSPENDED_CHAR   ( 'S' ) 任务挂起

程序设计：
任务栈大小分配：
    vTaskUserIF任务   ：2048字节
    vTaskLED任务     ：2048字节
    vTaskMsgPro任务 ：2048字节
    vTaskStart任务    ：2048字节
    任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap空间中申请的
    #defineconfigTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t )( 17 * 1024 ) )
系统栈大小分配：

FreeROTS初始化：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: main
*    功能说明: 标准c程序入口。
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
     /*
       在启动调度前，为了防止初始化STM32外设时有中断服务程序执行，这里禁止全局中断(除了NMI和HardFault)。
       这样做的好处是：
       1. 防止执行的中断服务程序中有FreeRTOS的API函数。
       2. 保证系统正常启动，不受别的中断影响。
       3. 关于是否关闭全局中断，大家根据自己的实际情况设置即可。
       在移植文件port.c中的函数prvStartFirstTask中会重新开启全局中断。通过指令cpsie i开启，__set_PRIMASK(1)
       和cpsie i是等效的。
     */
     __set_PRIMASK(1);
   
     /* 硬件初始化 */
     bsp_Init();
   
     /* 1. 初始化一个定时器中断，精度高于滴答定时器中断，这样才可以获得准确的系统信息 仅供调试目的，实际项
           目中不要使用，因为这个功能比较影响系统实时性。
        2. 为了正确获取FreeRTOS的调试信息，可以考虑将上面的关闭中断指令__set_PRIMASK(1); 注释掉。
     */
     vSetupSysInfoTest();
   
     /* 创建任务 */
     AppTaskCreate();
     /* 创建任务通信机制 */
     AppObjCreate();
   
    /* 启动调度，开始执行任务 */
    vTaskStartScheduler();
     /*
       如果系统正常启动是不会运行到这里的，运行到这里极有可能是用于定时器任务或者空闲任务的
       heap空间不足造成创建失败，此要加大FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap大小：
       #define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
     */
     while(1);
}

硬件外设初始化
    硬件外设的初始化是在bsp.c文件实现：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: bsp_Init
*    功能说明: 初始化硬件设备。只需要调用一次。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。
*             全局变量。
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
     /*
         由于ST固件库的启动文件已经执行了CPU系统时钟的初始化，所以不必再次重复配置系统时钟。
         启动文件配置了CPU主时钟频率、内部Flash访问速度和可选的外部SRAM FSMC初始化。
         系统时钟缺省配置为72MHz，如果需要更改，可以修改 system_stm32f10x.c 文件
     */
   
     /* 优先级分组设置为4，可配置0-15级抢占式优先级，0级子优先级，即不存在子优先级。*/     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
     bsp_InitUart();    /* 初始化串口 */
     bsp_InitLed();     /* 初始LED指示灯端口 */
     bsp_InitKey();     /* 初始化按键 */
}

FreeRTOS任务创建：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppTaskCreate
*    功能说明: 创建应用任务
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate (void)
{
    xTaskCreate( vTaskTaskUserIF,   /* 任务函数  */
                 "vTaskUserIF",     /* 任务名    */
                 512,               /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,              /* 任务参数  */
                 1,                 /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskUserIF );  /* 任务句柄  */
   
   
     xTaskCreate( vTaskLED,           /* 任务函数  */
                 "vTaskLED",         /* 任务名    */
                 512,                /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,               /* 任务参数  */
                 2,                  /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskLED ); /* 任务句柄  */
   
     xTaskCreate( vTaskMsgPro,            /* 任务函数  */
                 "vTaskMsgPro",           /* 任务名    */
                 512,                     /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,                    /* 任务参数  */
                 3,                       /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskMsgPro );  /* 任务句柄  */
   
   
     xTaskCreate( vTaskStart,             /* 任务函数  */
                 "vTaskStart",            /* 任务名    */
                 512,                     /* 任务栈大小，单位word，也就是4字节 */
                 NULL,                    /* 任务参数  */
                 4,                       /* 任务优先级*/
                 &xHandleTaskStart );   /* 任务句柄  */
}

FreeRTOS定时器组创建：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: AppObjCreate
*    功能说明: 创建任务通信机制
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void AppObjCreate (void)
{
     uint8_t i;
     const TickType_t  xTimerPer[2] = {100, 100};
   
     /*
       1. 创建定时器，如果在RTOS调度开始前初始化定时器，那么系统启动后才会执行。
       2. 统一初始化两个定时器，他们使用共同的回调函数，在回调函数中通过定时器ID来区分
          是那个定时器的时间到。当然，使用不同的回调函数也是没问题的。
     */
     for(i = 0; i < 2; i++)
     {
         xTimers[i] = xTimerCreate("Timer",              /* 定时器名字 */
                                        xTimerPer[i],    /* 定时器周期,单位时钟节拍 */
                                        pdTRUE,          /* 周期性 */
                                        (void *) i,      /* 定时器ID */
                                        vTimerCallback); /* 定时器回调函数 */
         if(xTimers[i] == NULL)
         {
              /* 没有创建成功，用户可以在这里加入创建失败的处理机制 */
         }
         else
         {
               /* 启动定时器，系统启动后才开始工作 */
               if(xTimerStart(xTimers[i], 100) != pdPASS)
               {
                    /* 定时器还没有进入激活状态 */
               }
         }
     }
}

定时器组回调函数的实现：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: vTimerCallback
*    功能说明: 定时器回调函数
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void vTimerCallback(xTimerHandle pxTimer)
{
     uint32_t ulTimerID;
     configASSERT(pxTimer);
     /* 获取那个定时器时间到 */
     ulTimerID = (uint32_t)pvTimerGetTimerID(pxTimer);
   
     /* 处理定时器0任务 */
     if(ulTimerID == 0)
     {
         bsp_LedToggle(1);
     }
   
     /* 处理定时器1任务 */
     if(ulTimerID == 1)
     {
         bsp_LedToggle(2);
     }
}

19.5.2   STM32F407开发板实验


配套例子：
     V5-314_FreeRTOS实验_定时器组
实验目的：
     1.     学习FreeRTOS的定时器组。
实验内容：
     1.     K1按键按下，串口打印任务执行情况（波特率115200，数据位8，奇偶校验位无，停止位1）。
     2.     创建两个软件定时器。
     3.     各个任务实现的功能如下：
              vTaskUserIF任务   ：按键消息处理。
              vTaskLED任务     ：LED闪烁。
              vTaskMsgPro任务 ：消息处理，这里用作LED闪烁。
              vTaskStart任务    ：启动任务，也是最高优先级任务，这里实现按键扫描。