FreeRTOS 软件定时器

一、软件定时器概述

软件定时器是一种由操作系统提供的系统接口，它构建在硬件定时器基础之上，使系统能够提供不受硬件定时器资源限制的定时器服务。与硬件定时器相比，软件定时器的精度可能稍低，但其灵活性和易用性使其在许多应用场景中更具优势。
软件定时器可以分为单次定时器和周期定时器两种类型。单次定时器在触发一次回调函数后即停止运行，而周期定时器则会周期性地触发回调函数。这种机制使得软件定时器在需要周期性执行任务的场景中非常有用，如心跳检测、状态更新等。

二、软件定时器的工作原理

FreeRTOS中的软件定时器依赖于系统滴答中断（SysTick）进行计数。每当系统滴答中断发生时，全局变量xTimeNow会加1，这个变量代表了当前的系统时间。软件定时器的创建、启动、停止和复位等操作都是通过向定时器命令队列发送命令来实现的，这些命令由定时器任务（守护任务）负责处理。
定时器任务是一个优先级较高的系统任务，它不断地扫描软件定时器列表，检查是否有定时器已经超时。一旦发现有超时的定时器，定时器任务就会调用该定时器的回调函数。为了保证实时性，定时器任务的优先级通常设置为系统中最高的优先级之一。

三、软件定时器的配置与创建

在使用软件定时器之前，需要在FreeRTOS的配置文件FreeRTOSConfig.h中进行相关配置。其中，宏configUSE_TIMERS必须设置为1，以启用软件定时器功能。此外，还需要配置定时器任务的任务优先级（configTIMER_TASK_PRIORITY）、任务堆栈大小（configTIMER_TASK_STACK_DEPTH）以及定时器命令队列的长度（configTIMER_QUEUE_LENGTH）等参数。
创建软件定时器时，需要使用xTimerCreate函数。这个函数会分配必要的内存空间，并初始化定时器的控制块。创建成功后，定时器会处于休眠状态，即未运行状态。定时器的控制块包含了定时器的名称、周期、是否自动重载、定时器ID以及回调函数等关键信息。

四、软件定时器的使用实例

以下是一个简单的FreeRTOS软件定时器使用实例。在这个例子中，我们将创建一个周期为1000个系统时钟节拍的周期定时器，并在其回调函数中打印一条消息。

#include "FreeRTOS.h"
#include "timers.h"
#include "stdio.h"
// 定时器回调函数
static void Timer1_Callback(TimerHandle_t xTimer) {
    // 在这里执行定时任务，例如打印一条消息
    printf("Timer1 triggered!\n");
}
int main(void) {
    // 初始化FreeRTOS调度器
    vTaskStartScheduler();
    // 创建软件定时器
    TimerHandle_t xTimer1 = xTimerCreate(
        "Timer1",                  // 定时器名称
        1000,                      // 定时器周期，单位为时钟节拍数
        pdTRUE,                    // 自动重载，表示这是一个周期定时器
        NULL,                      // 定时器ID，这里不使用
        Timer1_Callback            // 回调函数
    );
    // 检查定时器是否创建成功
    if (xTimer1 != NULL) {
        // 启动定时器
        xTimerStart(xTimer1, 0);
    } else {
        // 定时器创建失败，进行错误处理
        printf("Timer1 creation failed!\n");
    }
    // 注意：这里的代码实际上不会执行，因为vTaskStartScheduler会启动FreeRTOS调度器，
    // 控制权将交给FreeRTOS。这里的代码只是为了说明创建和启动定时器的流程。
    // 在实际应用中，所有的任务、定时器和中断服务函数都应该在FreeRTOS的任务或中断上下文中执行。
    while (1) {
        // 主循环，通常不需要在这里写代码，因为FreeRTOS会调度任务执行。
    }
}

在这个例子中，我们首先初始化了FreeRTOS调度器，然后创建了一个名为“Timer1”的周期定时器，其周期为1000个时钟节拍数。定时器创建成功后，我们调用了xTimerStart函数来启动它。一旦定时器超时，就会调用Timer1_Callback回调函数，打印出一条消息。

五、结论

FreeRTOS中的软件定时器提供了一种灵活且高效的方式来在特定的时间点或周期性地执行任务。通过合理配置和使用软件定时器，开发者可以轻松地实现各种复杂的定时功能，而无需担心硬件定时器的资源限制。在实际应用中，软件定时器可以用于心跳检测、状态更新、超时处理等多种场景，为嵌入式系统的开发带来了极大的便利。