RT-Thread 时钟 timer delay 相关

news2024/10/5 20:23:54

前言

此处,介绍对delay 时钟 timer 这几部分之间的关联和相关的知识点;
本来只是想介绍一下 delay的,但是发现说到delay 不先提到先验知识晶振\时钟\时钟节拍\定时器好像没法解释透彻,所以就变成了晶振\时钟\时钟节拍\定时器\delay 的很简单的概括一遍;
并附带上能直接运行的示例代码;

一个可以跳过的Tip -> 为了大家方便跳过,我设置成了图片,赶时间可以不点开

在这里插入图片描述

晶振 \ 时钟 \ 时钟节拍 \ 定时器 \ delay

定义

晶振（Crystal Oscillator）:
晶振是硬件级别的时钟源，为微控制器（MCU）提供基准频率。它是系统所有时间相关功能的根基。晶振的频率决定了MCU的主时钟频率，通常称为HCLK（主时钟）。这个频率是非常重要的，因为它直接影响到微控制器的执行速度和整个系统的性能。

时钟（Clock）:
在 RT-Thread 中，时钟通常指的是系统时钟，它是由晶振通过分频、倍频等方式产生的。系统时钟为操作系统和应用程序提供时间基准。系统时钟可以分为不同的类别，如核心时钟、外设时钟等，它们由晶振经过不同的处理得到。

时钟节拍（Tick）:
时钟节拍是操作系统的基本时间单位，RT-Thread 通过硬件定时器来产生固定频率的时钟节拍。每一个时钟节拍代表操作系统中一个最小的时间片段。操作系统利用这些时钟节拍来进行任务调度、延时处理等操作。时钟节拍的频率（通常称为Tick Rate）决定了系统调度的精度和响应速度。例如，一个Tick Rate为1000Hz的系统每个时钟节拍代表1ms。

定时器（Timer）:
定时器是基于时钟节拍工作的，用于执行定时任务。在 RT-Thread 中，定时器可以是一次性的或周期性的。定时器使用时钟节拍来计算时间，当达到指定的时钟节拍数时，定时器超时并执行相应的回调函数。

delay:
delay 函数（在 RT-Thread 中通常为 rt_thread_delay()）用于暂停当前线程执行指定的时间段。这个延时是以时钟节拍为单位的。当线程调用 rt_thread_delay() 时，它会被挂起，直到指定的时钟节拍数过去。在这段时间内，调度器会将CPU控制权转移给其他就绪状态的线程。

前面的解释可能太长了,我们再精简一点

晶振（Crystal Oscillator）:
晶振提供了硬件级别的时钟源，它确定了微控制器（MCU）的主时钟频率（HCLK），这直接影响微控制器的执行速度和整个系统的性能。晶振是所有时间管理和计时功能的基础。

时钟（Clock）:
系统时钟是由晶振产生的，可以通过分频、倍频等方式调整，为操作系统和应用程序提供时间基准。时钟可以有不同的类型（如核心时钟、外设时钟），它们支持系统各个部分的运作和时间管理。

时钟节拍（Tick）:
时钟节拍是由系统时钟驱动的，表示操作系统的基本时间单位，用于任务调度和时间管理。时钟节拍的频率（Tick Rate）决定了系统的调度精度和响应速度，每个时钟节拍代表了系统中的一个固定时间片。

定时器（Timer）:
定时器利用时钟节拍来计划和执行定时任务。它可以设置为一次性或周期性，用于在特定的时间点或经过特定时间段后执行任务。定时器的工作是基于时钟节拍的，它们使得在精确的时间执行任务成为可能。

delay:
rt_thread_delay() 函数用于使当前线程暂停执行特定的时钟节拍数，从而提供延时功能。如果调用官方api,在此期间，CPU的控制权会转移给其他就绪状态的线程，实现有效的多任务处理。

一句话概括

晶振为系统提供基本的时间频率，系统时钟根据晶振调整形成不同的时间基准
时钟节拍根据系统时钟生成，为操作系统提供一个均匀的时间度量
定时器和延时功能（delay）则是基于这些时钟节拍来安排和管理时间和任务的执行。
观察 \ 运行 \ 修改下方代码,获得更深入了解

示例代码

通过这个示例，可以展示 RT-Thread 如何处理线程延时和定时器回调，以及如何利用系统的时钟节拍来进行时间管理和任务调度。
在这个示例中，我们首先创建了一个线程 my_thread，它在一个循环中每隔一秒打印一次计数器 count 的值，并通过 rt_thread_delay() 函数实现延时。RT_TICK_PER_SECOND 定义了一秒内的时钟节拍数，因此 rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND) 将使线程延时一秒。
接下来，我们创建了一个周期性定时器 my_timer，它每秒触发一次，并在每次触发时打印出 “Timer tick”。定时器使用 RT_TICK_PER_SECOND 作为超时时间，设置为周期性定时器 RT_TIMER_FLAG_PERIODIC，这意味着它会每隔一秒自动重启并触发回调函数 timer_callback。

#include <rtthread.h>

#define THREAD_PRIORITY 25
#define THREAD_STACK_SIZE 512
#define THREAD_TIMESLICE 5

/* 定义线程控制块 */
static struct rt_thread my_thread;
/* 定义线程栈 */
ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
static rt_uint8_t my_thread_stack[THREAD_STACK_SIZE];

/* 线程入口函数 */
static void my_thread_entry(void *parameter)
{
    rt_uint32_t count = 0;

    /* 线程主循环 */
    while (1)
    {
        /* 打印信息并延时一秒 */
        rt_kprintf("Thread count: %d\n", count++);
        rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND); // 延时1秒，RT_TICK_PER_SECOND是系统时钟节拍数，代表一秒
    }
}

/* 定时器回调函数 */
static void timer_callback(void *parameter)
{
    rt_kprintf("Timer tick\n");
}

/* 应用程序入口 */
int main(void)
{
    rt_timer_t my_timer;
    rt_err_t result;

    /* 初始化线程 */
    result = rt_thread_init(&my_thread,
                            "mythread",
                            my_thread_entry,
                            RT_NULL,
                            &my_thread_stack[0],
                            sizeof(my_thread_stack),
                            THREAD_PRIORITY,
                            THREAD_TIMESLICE);
    if (result == RT_EOK)
    {
        rt_thread_startup(&my_thread);
    }

    /* 创建定时器 */
    my_timer = rt_timer_create("mytimer",          // 定时器名称
                               timer_callback,     // 定时器到期时回调的函数
                               RT_NULL,            // 调用回调函数时传递的参数
                               RT_TICK_PER_SECOND, // 定时时间，这里设置为1秒
                               RT_TIMER_FLAG_PERIODIC); // 定时器模式，周期性执行

    /* 启动定时器 */
    if (my_timer != RT_NULL)
    {
        rt_timer_start(my_timer);
    }

    return 0;
}

写到这里了,其实对 delay 定时器基本的了解已经搭建起来了,其实对于开发而言,差不多够用了
感兴趣的话,可以继续往下翻,我们看一下更深入的准确的定义

在这里插入图片描述

定义

delay 和 sleep 是两种差不多的操作在不同平台上的叫法
一般不需要太过关注如何区分,在这里我们看作是一样的
delay 我们这里提到两种实现方式,一种是通过估计计算耗时来实现延时;另一种是 Timer定时器实现;通过估计计算耗时的方式我们没什么好说的,我们关注的是相对智能的\高效的基于时钟(timer)实现的
在介绍之前,我们需要一起提到晶振\时钟\时钟节拍\定时器\delay 之间的关系

在 RT-Thread 实时操作系统中，delay 函数（如 rt_thread_delay()）用于挂起当前线程一定的时间。在这段时间内，CPU 将不会执行当前线程，而是转而执行其他的就绪状态线程。如果没有其他线程处于就绪状态，则可能执行空闲线程（idle thread），该线程通常用于执行低优先级的后台任务，如内存清理和系统监视。

RT-Thread 的 rt_thread_delay() 函数是专门设计用于多任务环境的，不同于 MicroPython 的 time.sleep()，RT-Thread 的延时操作是为多线程设计的，确实会将 CPU 时间让给其他的线程。这是因为 RT-Thread 是一个完整的实时操作系统，支持多线程和任务调度，所以它可以在一个线程暂停执行时调度其他线程运行。

在 RT-Thread 中，当你调用 rt_thread_delay() 时，你实际上是将当前线程放入睡眠状态直到指定的延时时间过去。这个功能使得 CPU 资源可以被有效地分配给其他需要执行的线程，从而提高系统的总体效率和响应性。

总结来说，RT-Thread 中的 delay 类操作（如 rt_thread_delay()）确实会导致当前线程挂起，并允许其他线程使用 CPU。这与 MicroPython 中的 time.sleep() 在操作系统层面上有相似的效果，尽管底层的实现机制和支持的功能可能不同，因为 RT-Thread 是一个多线程的实时操作系统，而 MicroPython 通常运行在单线程环境中。