RT-Thread HWTIMER设备（学习）

news2024/9/20 1:08:43

定时器简介

硬件定时器一般有2种工作模式，定时器模式和计数器模式。不管是工作在哪一种模式，实质都是通过内部计数器模块对脉冲信号进行计数，下面是定时器的一些重要概念。

  • 计数器模式：对外部输入引脚的外部脉冲信号计数。
  • 定时器模式：对内部脉冲信号计数。定时器常用作定时时钟，以实现定时检测，定时响应，定时控制。

计数器：计数器可以递增计数或者递减计数，16位计数器的最大计数值为65535.

计数频率：定时器模式时，计数器单位时间内的计数次数，由于系统时钟频率是定值，所以根据计数器的计数值计算出定时时间，定时时间=计数值/计数频率。
例如计数频率为1MHz，计数器计数一次的时间为1/1000000，也就是没经过1微妙计数器加一，此时16位计数器的最大定时能力为65535微妙，即65.535毫秒。

本定时器设备框架内部会自动处理硬件定时器超时的问题，例如16位定时器在1MHz的频率下最大只能维持65.535ms。
但是本定时器框架下，用户可以将定时器的溢出时间设置为例如500ms，框架内部会自动处理硬件溢出问题。当时间达到500ms后，框架会调用用户预先设置好的回调函数。

访问硬件定时器设备

在这里插入图片描述

查找定时器设备

应用程序根据硬件定时器设备名称获取设备句柄，进而可以操作硬件定时器设备。

rt_device_t rt_device_find(const char* name);

一般情况下，注册到系统的硬件定时器设备名称为timer0，timer1等。

#define HWTIMER_DEV_NAME "timer0";
rt_device_t hw_dev;
hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);

打开定时器设备

通过设备句柄，应用程序可以打开设备。
打开设备时，会检测设备是否已经初始化，没有初始化则会默认调用初始化接口初始化设备。

rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflags);
  • dev：硬件定时器设备句柄。
  • oflags：设备打开模式，一般以读写方式打开，即RT_DEVICE_OFLAG_RDWR

设置超时回调函数

在C语言和C++语言中，将一个函数声明为’static’具有以下含义：

  1. 作用域限制：函数声明为’static’会将其作用域限制在当前文件中，这意味着该函数只能在包含它的源文件中调用，而不能在其他文件中调用。这可以用于隐藏函数的实现细节，避免与其他文件中的同名函数发生冲突。
  2. 链接性：'static’函数具有内部链接性，这意味着它不会被放在全局符号表中，无法被其他文件访问。这有助于减小程序的全局命名空间污染。
rt_err_t rt_device_set_rx_indicate(rt_device_t dev, rt_err_t (*rx_ind)(rt_device_t dev, rt_size_t size))
  • dev：设备句柄。
  • rx_ind：超时回调函数，由调用者提供。
#define HWTIMER_DEV_NAME   "timer0"     /* 定时器名称 */
rt_device_t hw_dev;                     /* 定时器设备句柄 */

/* 定时器超时回调函数 */
static rt_err_t timeout_cb(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    rt_kprintf("this is hwtimer timeout callback fucntion!\n");
    rt_kprintf("tick is :%d !\n", rt_tick_get());

    return 0;
}

static int hwtimer_sample(int argc, char *argv[])
{
    /* 查找定时器设备 */
    hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
    /* 以读写方式打开设备 */
    rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);

    ...

    /* 设置超时回调函数 */
    rt_device_set_rx_indicate(hw_dev, timeout_cb);

    return 0;
}

控制定时器设备

通过命令控制字，应用程序可以对硬件定时器设备进行配置。

rt_err_t rt_device_control(rt_device_t dev, rt_uint8_t cmd, void *arg);
  • dev：设备句柄
  • cmd：命令控制字
  • arg：控制的参数
  • 返回：RT_EOK：函数执行成功。-RT_ENSYS：执行失败，dev为空。

硬件定时器设备支持的命令控制字如下：

  • HWTIMER_CTRL_FRQ_SET：设置计数频率（若未设置该项，默认为1MHz或支持的最小计数频率）
  • HWTIMER_CTRL_STOP：停止计时器
  • HWTIMER_CTRL_INFO_GET：获取定时器特征信息
  • HWTIMER_CTRL_MODE_SET：设置定时器模式（若未设置，默认是HWTIMER_MODE_ONESHOT）

获取定时器特征信息参数arg为指向结构体struct rt_hwtimer_info的指针，作为一个输出参数保存获取的信息。

设置定时器模式时，参数arg可取：

  • HWTIMER_MODE_ONESHOT：单次定时
  • HWTIMER_MODE_PERIOD：周期性定时
#define HWTIMER_DEV_NAME   "timer0"     /* 定时器名称 */
rt_device_t hw_dev;                     /* 定时器设备句柄 */
rt_hwtimer_mode_t mode;                 /* 定时器模式 */
rt_uint32_t freq = 10000;               /* 计数频率 */

static int hwtimer_sample(int argc, char *argv[])
{
	hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
	rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);

	rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_FREQ_SET, &freq);
	mode = HWTIMER_MODE_PERIOD;
	rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_MODE_SET, &mode);
	return 0;
}

设置定时器超时值

通过如下函数可以设置定时器的超时值，在调用该函数后，定时器更新参数并开启。

rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev, rt_odd_t pos, const void* buffer, rt_size_t size);
  • dev：设备句柄。
  • pos：写入数据偏移量，未使用，可取0值。
  • buffer：指向定时器超时时间结构体的指针。
  • size：超时时间结构体的大小。
  • 返回：写入数据的实际大小，0：失败。

超时时间结构体原型：

typedef struct rt_hwtimerval
{
	rt_int32_t sec;
	rt_int32_t usec;
}

设置定时器超时值的使用示例如下：

#define HWTIMER_DEV_NAME "timer0"
rt_device_t hw_dev; //定时器设备句柄
rt_hwtimerval_t timeout_s; //定时器超时值

static int hwtimer_sample(int argc, char *argv[])
{
	//查找定时器设备
	hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
	rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);

	//设置定时器超时值为5s并启动定时器
	timeout_s.sec = 5;
	timeout_s.usec = 0;
	rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s));
	return 0;
	
}

获取定时器当前值

通过如下函数可以获取自定时器开始（rt_device_write）之后的运行时：

rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size);
  • dev：定时器设备句柄
  • pos：写入数据偏移量，未使用，可取0值
  • buffer：输出参数，指向定时器超时时间结构体的指针
  • size：超时时间结构体的大小
  • return：成功-超时时间结构体的大小，0：失败
rt_hwtimerval_t t;
rt_device_read(hw_dev, 0, &t, sizeof(t));
rt_kprintf("Read: Sec = %d, Usec = %d\n", t.sec, t.usec);

关闭定时器设备

通过如下函数关闭定时器设备：

rt_err_t rt_device_close(rt_device_t dev);
  • dev：定时器设备句柄
  • 返回：RT_EOK-关闭设备成功，-RT_ERROR-设备已经完全关闭，不能重复关闭设备，其它错误码-关闭设备失败。

关闭设备接口和打开设备接口需配对使用，打开一次设备对应要关闭一次设备，这样设备才会被完全关闭，否则设备仍处于未关闭状态。

注：可能出现定时误差。假设计数器最大值0xFFFF，计数频率1MHz，定时时间1s又1us。
由于定时一次最多只能计时到65535us，对于1000001us的定时要求，可以50000us定时20次完成，此时会出现计算误差1us。

硬件定时器设备完整使用示例

硬件定时器设备的具体使用方式可以参考如下示例代码，示例代码的主要步骤如下：

  1. 首先根据定时器设备名称“timer0”查找设备获取设备句柄。
  2. 以读写方式打开设备“timer0”。
  3. 设置定时器超时回调函数。
  4. 设置定时器模式为周期性定时器，并设置超时时间为5s，此时定时器启动。
  5. 延时3500ms后读取定时器时间，读取到的值会以秒和微妙的形式显示。
//例程导出了hwtimer_sample命令到控制终端
//程序功能：硬件定时器超时回调函数周期性的打印当前tick值，2次tick值之差换算为时间等同于定时时间

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>

#define HWTIMER_DEV_NAME "timer0" //定时器名称

//定时器超时回调函数
static rt_err_t timeout_cb(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
	rt_kprintf("this is hwtimer timeout callback function\n");
	rt_kprintf("tick is : %d \n",rt_tick_get());

	return 0;
}

static int hwtimer_sample(int argc, char *argv[])
{
	rt_err_t ret = RT_EOK;
	rt_hwtimerval_t timeout_s; //定时器超时值
	rt_device_t hw_dev = RT_NULL;
	rt_hwtimer_mode_t mode; //定时器模式
	rt_uint32_t freq = 10000; //计数频率

	hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
	if(hw_dev == RT_NULL)
	{
		 rt_kprintf("hwtimer sample run failed! can't find %s device!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
		 return RT_ERROR;
	}
	ret = rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);
	if(ret != RT_EOK)
	{
		rt_kprintf("open %s device failed\n",HWTIMER_DEV_NAME);
		return ret;
	}
	rt_device_set_rx_indicate(hw_dev, timeout_cb);

	rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_FREQ_SET, &freq);
	mode = HWTIMER_MODE_PERIOD;
	ret = rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_MODE_SET, &mode);
	
	if (ret != RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("set mode failed! ret is :%d\n", ret);
        return ret;
    }
	
	timeout_s.sec = 5;
	timeout_s.usec = 0;
	if(rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s)) != sizeof(timeout_s))
	{
		rt_kprintf("set timeout value failed\n");
        return RT_ERROR;
	}
	rt_thread_mdelay(3500);
	
	rt_device_read(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s));
	rt_kprintf("Read: Sec = %d, Usec = %d\n", timeout_s.sec, timeout_s.usec);

    return ret;
}
MSH_CMD_EXPORT(hwtimer_sample, hwtimer sample);

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