400行程序写一个实时操作系统（十八）：时间触发型RTOS的设计

前言

前面已经说过了，Sparrow采用的是时间触发系统的设计，本章将会讲解时钟触发相关的算法。

重新回顾一下时间触发系统的定义：

时间触发系统的任务调度基于定时器中断，适用于周期性任务和确定性要求高的场景，如控制系统。它的内部有一个时钟，每隔一定时间间隔就会触发一次时间中断，每次时钟中断时，调度器决定是否需要切换任务。

systick时钟

systick时钟是为RTOS而设计的的一个中断时钟，它使得RTOS在不同架构之间的移植性难度大大减小。

在前面的文章中，笔者曾经调试过Sparrow来了解RTOS内部的中断使用，当时得出的结论是：SysTick中断会在一定时间间隔响应，然后触发PendSV中断产生上下文切换：

systick中断用法如下：

如何使用时钟

定时上下文切换

参考上面的程序，我们可以先设置SysTick时钟，让它在一定时间间隔响应，然后在SysTick中断中加入PendSV中断的触发函数，这样就能达到定时上下文切换的目的。

除此之外，SysTick本身就是一个定时器，RTOS中需要定时的地方太多了，我们必须高效利用它的定时功能。

延时阻塞态

利用延时的时间

在Sparrow中，任务有就绪态、阻塞态、挂起态三种状态，任何任务只能有一种状态。延时就是一种阻塞态，表示它在等待某个事情的发生。

让我们想一想，在非RTOS的环境中，我们的延时一般都是空等，但是在RTOS环境中，任务被分解为线程的形式，每个线程尽量与其他线程并行执行，那么，我们是不是可以在其他线程延时等待时，把它移除就绪表，然后把时间让给其他线程执行呢？等时间一到，再把它加入就绪表。

这当然是可行的。

如何设计算法？

如图所示，我们需要一张延时表，当每个任务延时时，这个任务会被踢出就绪表，延时表会记录它延时到期的时间，每一次SysTIck中断时，时间基数就会加1，然后我们可以先比较延时表中的任务是否到时间，如果到时间，那么就从延时表删除，加入就绪表，如果没到，就继续等。

如何解决溢出的问题？

我们知道计算机中一个数的大小是有上限的，比如uint_32，最大只能到2^32 - 1。如果发生了溢出那怎么办呢？

笔者提供两种思路：

1.设置更大的计数单位

2.使用两个表进行维护。

当然，Sparrow使用的是后一种。

设置更大的计数单位

请读者想一想，我们每天都是24小时轮转，但我们是怎么表示时间的呢？是通过年、月、日来进行记录，也就是说，SysTick的计数也可以这样干，每溢出一次，前面的计数单位就加一，这样就能记录事情发生的先后了。

但是假设时间非常漫长，那么单片机会不断的设置更大的计数单位，从秒、分、时、日、月，一直到年，每一个数字都需要内存来存储，这样的方法，缺点是内存并不固定。

使用两个表进行维护

正常情况下，任务的延时加上当前时间最多溢出一次，例如1 + 2^32 -1 会溢出一次，虽然1 + 2^32 - 1 + 2^32会溢出两次 ，但是这个时间段太长了，太离谱了，根本不可能被使用。既然最多溢出一次，那么，只要多一个表就可以解决溢出的问题。

当时间溢出发生时，由于此时记录没有溢出的延时表的任务肯定已经完成了延时，也就是说，这张表现在是空的。

此时只有溢出的延时表上的延时需要完成，当溢出再次发生时，我们又需要一张表，难道我们要重新申请一块内存来存储表吗？

显然，完全不需要，因为没有溢出的延时表是空的，我们可以重复利用它。现在，之前溢出的延时表变成了未溢出的延时表，之前未溢出的延时表被重新利用，拿来记录现在溢出的延时任务！

使用两个表进行维护，这就是Sparrow的延时策略。

总结

先讲解了时间触发型RTOS的设计，然后讲解SysTick时钟，它通常作为RTOS的定时器。为了充分利用定时器，引入延时阻塞的概念，解决了裸机中常见的延时空等待的问题。