RT-Thread timer

时钟节拍

任何操作系统都需要提供一个时钟节拍，以供系统处理所有和时间有关的事件，如线程的延时、线程的时间片轮转调度以及定时器超时等。
RT-Thread 中，时钟节拍的长度可以根据 RT_TICK_PER_SECOND 的定义来调整，等于 1/RT_TICK_PER_SECOND 秒。

时钟节拍的实现方式
时钟节拍由配置为中断触发模式的硬件定时器产生，当中断到来时，将调用一次：void rt_tick_increase(void)，通知操作系统已经过去一个系统时钟；不同硬件定时器中断实现都不同，下面的中断函数以 STM32 定时器作为示例。

void SysTick_Handler(void)
{
    /* 进入中断 */
    rt_interrupt_enter();
    ……
    rt_tick_increase();
    /* 退出中断 */
    rt_interrupt_leave();
}

在中断函数中调用 rt_tick_increase() 对全局变量 rt_tick 进行自加，代码如下所示：

void rt_tick_increase(void)
{
    struct rt_thread *thread;

    /* 全局变量 rt_tick 自加 */
    ++ rt_tick;

    /* 检查时间片 */
    thread = rt_thread_self();

    -- thread->remaining_tick;
    if (thread->remaining_tick == 0)
    {
        /* 重新赋初值 */
        thread->remaining_tick = thread->init_tick;

        /* 线程挂起 */
        rt_thread_yield();
    }

    /* 检查定时器 */
    rt_timer_check();
}

可以看到全局变量 rt_tick 在每经过一个时钟节拍时，值就会加 1，rt_tick 的值表示了系统从启动开始总共经过的时钟节拍数，即系统时间。此外，每经过一个时钟节拍时，都会检查当前线程的时间片是否用完，以及是否有定时器超时。
注意事项：
中断中的 rt_timer_check() 用于检查系统硬件定时器链表，如果有定时器超时，将调用相应的超时函数。且所有定时器在定时超时后都会从定时器链表中被移除，而周期性定时器会在它再次启动时被加入定时器链表。

获取时钟节拍
由于全局变量 rt_tick 在每经过一个时钟节拍时，值就会加 1，通过调用 rt_tick_get 会返回当前 rt_tick 的值，即可以获取到当前的时钟节拍值。此接口可用于记录系统的运行时间长短，或者测量某任务运行的时间。接口函数如下：
rt_tick_t rt_tick_get(void);

定时器管理

1）硬件定时器是芯片本身提供的定时功能。
2）软件定时器是由操作系统提供的一类系统接口，它构建在硬件定时器基础之上，使系统能够提供不受数目限制的定时器服务。
RT-Thread 操作系统提供软件实现的定时器，以时钟节拍（OS Tick）的时间长度为单位，即定时数值必须是 OS Tick 的整数倍。

RT-Thread 定时器介绍
RT-Thread 的定时器提供两类定时器机制：第一类是单次触发定时器，这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件，然后定时器自动停止。第二类是周期触发定时器，这类定时器会周期性的触发定时器事件，直到用户手动的停止，否则将永远持续执行下去。
另外，根据超时函数执行时所处的上下文环境，RT-Thread 的定时器可以分为 HARD_TIMER 模式与 SOFT_TIMER 模式，如下图。

HARD_TIMER 模式

HARD_TIMER 模式的定时器超时函数在中断上下文环境中执行，可以在初始化 / 创建定时器时使用参数 RT_TIMER_FLAG_HARD_TIMER 来指定。
在中断上下文环境中执行时，对于超时函数的要求与中断服务例程的要求相同：执行时间应该尽量短，执行时不应导致当前上下文挂起、等待。例如在中断上下文中执行的超时函数它不应该试图去申请动态内存、释放动态内存等。
RT-Thread 定时器默认的方式是 HARD_TIMER 模式，即定时器超时后，超时函数是在系统时钟中断的上下文环境中运行的。在中断上下文中的执行方式决定了定时器的超时函数不应该调用任何会让当前上下文挂起的系统函数；也不能够执行非常长的时间，否则会导致其他中断的响应时间加长或抢占了其他线程执行的时间。

SOFT_TIMER 模式

SOFT_TIMER 模式可配置，通过宏定义 RT_USING_TIMER_SOFT 来决定是否启用该模式。该模式被启用后，系统会在初始化时创建一个 timer 线程，然后 SOFT_TIMER 模式的定时器超时函数在都会在 timer 线程的上下文环境中执行。可以在初始化 / 创建定时器时使用参数 RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER 来指定设置 SOFT_TIMER 模式。

定时器工作机制

下面以一个例子来说明 RT-Thread 定时器的工作机制。在 RT-Thread 定时器模块中维护着两个重要的全局变量：
（1）当前系统经过的 tick 时间 rt_tick（当硬件定时器中断来临时，它将加 1）；
（2）定时器链表 rt_timer_list。系统新创建并激活的定时器都会按照以超时时间排序的方式插入到 rt_timer_list 链表中。
如下图所示，系统当前 tick 值为 20，在当前系统中已经创建并启动了三个定时器，分别是定时时间为 50 个 tick 的 Timer1、100 个 tick 的 Timer2 和 500 个 tick 的 Timer3，这三个定时器分别加上系统当前时间 rt_tick=20，从小到大排序链接在 rt_timer_list 链表中，形成如图所示的定时器链表结构。

定时器跳表 (Skip List) 算法

在前面介绍定时器的工作方式的时候说过，系统新创建并激活的定时器都会按照以超时时间排序的方式插入到 rt_timer_list 链表中，也就是说 t_timer_list 链表是一个有序链表，RT-Thread 中使用了跳表算法来加快搜索链表元素的速度。

跳表是一种基于并联链表的数据结构，实现简单，插入、删除、查找的时间复杂度均为 O(log n)。跳表是链表的一种，但它在链表的基础上增加了 “跳跃” 功能，正是这个功能，使得在查找元素时，跳表能够提供 O(log n)的时间复杂度，举例如下：

一个有序的链表，如下图所示，从该有序链表中搜索元素 {13, 39}，需要比较的次数分别为 {3, 5}，总共比较的次数为 3 + 5 = 8 次。

使用跳表算法后可以采用类似二叉搜索树的方法，把一些节点提取出来作为索引，得到如下图所示的结构：

在这个结构里把 {3, 18,77} 提取出来作为一级索引，这样搜索的时候就可以减少比较次数了, 例如在搜索 39 时仅比较了 3 次（通过比较 3，18，39)。当然我们还可以再从一级索引提取一些元素出来，作为二级索引，这样更能加快元素搜索。
所以，定时器跳表可以通过上层的索引，在搜索的时候就减少比较次数，提升查找的效率，这是一种通过 “空间来换取时间” 的算法，在 RT-Thread 中通过宏定义 RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL 来配置跳表的层数，默认为 1，表示采用一级有序链表图的有序链表算法，每增加一，表示在原链表基础上增加一级索引。

定时器的管理方式

在系统启动时需要初始化定时器管理系统。可以通过下面的函数接口完成：
void rt_system_timer_init(void);
如果需要使用 SOFT_TIMER，则系统初始化时，应该调用下面这个函数接口：
void rt_system_timer_thread_init(void);

高精度延时

RT-Thread 定时器的最小精度是由系统时钟节拍所决定的（1 OS Tick = 1/RT_TICK_PER_SECOND 秒，RT_TICK_PER_SECOND 值在 rtconfig.h 文件中定义），定时器设定的时间必须是 OS Tick 的整数倍。当需要实现更短时间长度的系统定时时，例如 OS Tick 是 10ms，而程序需要实现 1ms 的定时或延时，这种时候操作系统定时器将不能够满足要求，只能通过读取系统某个硬件定时器的计数器或直接使用硬件定时器的方式。

在 Cortex-M 系列中，SysTick 已经被 RT-Thread 用于作为 OS Tick 使用，它被配置成 1/RT_TICK_PER_SECOND 秒后触发一次中断的方式，中断处理函数使用 Cortex-M3 默认的 SysTick_Handler 名字。在 Cortex-M3 的 CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）规范中规定了 SystemCoreClock 代表芯片的主频，所以基于 SysTick 以及 SystemCoreClock，我们能够使用 SysTick 获得一个精确的延时函数，如下例所示，Cortex-M3 上的基于 SysTick 的精确延时（需要系统在使能 SysTick 后使用）：

高精度延时的例程如下所示：

#include <board.h>
void rt_hw_us_delay(rt_uint32_t us)
{
    rt_uint32_t delta;
    /* 获得延时经过的 tick 数 */
    us = us * (SysTick->LOAD/(1000000/RT_TICK_PER_SECOND));
    /* 获得当前时间 */
    delta = SysTick->VAL;
    /* 循环获得当前时间，直到达到指定的时间后退出循环 */
    while (delta - SysTick->VAL< us);
}

其中入口参数 us 指示出需要延时的微秒数目，这个函数只能支持低于 1 OS Tick 的延时，否则 SysTick 会出现溢出而不能够获得指定的延时时间。