LiteOS内核源码分析系列四 LiteOS内核时间管理

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zhushy 发表于 2021/03/19 09:58:57 2021/03/19
【摘要】 Huawei LiteOS的时间管理模块以系统时钟为基础，分为2部分，一部分是SysTick中断，为任务调度提供必要的时钟节拍；另外一部分是，给应用程序提供所有和时间有关的服务，如时间转换、统计、延迟功能。

Huawei LiteOS的时间管理模块以系统时钟为基础，可以分为2部分，一部分是SysTick中断，为任务调度提供必要的时钟节拍；另外一部分是，给应用程序提供所有和时间有关的服务，如时间转换、统计、延迟功能。

系统时钟是由定时器/计数器产生的输出脉冲触发中断产生的，一般定义为整数或长整数。输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答”，也称为时标或者Tick。Tick是操作系统的基本时间单位，由用户配置的每秒Tick数决定。如果用户配置每秒的Tick数目为1000，则1个Tick等于1ms的时长。另外一个计时单位是Cycle，这是系统最小的计时单位。Cycle的时长由系统主时钟频率决定，系统主时钟频率就是每秒钟的Cycle数，对于216 MHz的CPU，1秒产生216000000个cycles。

用户以秒、毫秒为单位计时，而操作系统以Tick为单位计时，当用户需要对系统进行操作时，例如任务挂起、延时等，此时可以使用时间管理模块对Tick和秒/毫秒进行转换。

文中所涉及的源代码，均可以在LiteOS开源站点https://gitee.com/LiteOS/LiteOS 获取。位操作模块源代码、开发文档如下：

下面，我们剖析下时间管理模块的源代码，以LiteOS开源工程支持的板子之一STM32F769IDiscovery为例进行源码分析。

1、时间管理初始化和启动。

我们先看下时间管理模块的相关配置，然后再剖析如何初始化，如何启动。

1.1 时间管理相关的配置

时间管理模块依赖系统时钟OS_SYS_CLOCK和每秒Tick数目LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND两个配置选项。在系统启动时，targets\STM32F769IDISCOVERY\Src\main.c的main()函数调用targets\STM32F769IDISCOVERY\Src\platform_init.c文件中的void HardwareInit(void)进行硬件初始化，初始化时会调用void SystemClock_Config(void)进行系统时钟的配置。完成系统时钟的配置后，SystemCoreClock赋值为216000000Hz。通过下面两个宏定义，OS_SYS_CLOCK也表示系统时钟。

文件kernel\include\los_config.h:

/**
 * @ingroup los_config
 * System clock (unit: HZ)
 */
#ifndef OS_SYS_CLOCK
#define OS_SYS_CLOCK (get_bus_clk())
#endif

文件targets\STM32F769IDISCOVERY\include\hisoc\clock.h:

#define get_bus_clk() SystemCoreClock // default: 216000000

另外一个配置项，每秒Tick数目LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND，用户可以通过LiteOS提供的组件配置工具menuconfig进行设置，配置路径在Kernel → Basic Config → Task → Tick Value Per Second，支持的开发板也提供了默认值。

1.2 时间管理初始化OsTickInit()

在系统启动时，在kernel\init\los_init.c中调用VOID OsRegister(VOID)设置系统时钟、Tick配置。⑴处全局变量g_tickPerSecond赋值为LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND，也表示每秒配置多少个Tick。⑵处的宏定义把OS_SYS_CLOCK赋值给g_sysClock，都表示系统时钟。后文的代码解析会涉及这些变量的使用。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT static VOID OsRegister(VOID)
{
#ifdef LOSCFG_LIB_CONFIGURABLE
    g_osSysClock            = OS_SYS_CLOCK_CONFIG;
    g_tickPerSecond         = LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND_CONFIG;
    g_taskLimit             = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT_CONFIG;
    g_taskMaxNum            = g_taskLimit + 1;
    g_taskMinStkSize        = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_MIN_STACK_SIZE_CONFIG;
    g_taskIdleStkSize       = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE_CONFIG;
    g_taskDfltStkSize       = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE_CONFIG;
    g_taskSwtmrStkSize      = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_SWTMR_STACK_SIZE_CONFIG;
    g_swtmrLimit            = LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT_CONFIG;
    g_semLimit              = LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT_CONFIG;
    g_muxLimit              = LOSCFG_BASE_IPC_MUX_LIMIT_CONFIG;
    g_queueLimit            = LOSCFG_BASE_IPC_QUEUE_LIMIT_CONFIG;
    g_timeSliceTimeOut      = LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE_TIMEOUT_CONFIG;
#else
⑴  g_tickPerSecond         = LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
#endif
⑵  SET_SYS_CLOCK(OS_SYS_CLOCK);

#ifdef LOSCFG_KERNEL_NX
    LOS_SET_NX_CFG(true);
#else
    LOS_SET_NX_CFG(false);
#endif
    LOS_SET_DL_NX_HEAP_BASE(LOS_DL_HEAP_BASE);
    LOS_SET_DL_NX_HEAP_SIZE(LOS_DL_HEAP_SIZE);

    return;
}

在kernel\init\los_init.c中会继续调用UINT32 OsTickInit(UINT32 systemClock, UINT32 tickPerSecond)来初始化时间配置。该函数需要2个参数，分别是上文配置的系统时钟和每秒的tick数。进一步调用HalClockInit()函数。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsTickInit(UINT32 systemClock, UINT32 tickPerSecond)
{
    if ((systemClock == 0) ||
        (tickPerSecond == 0) ||
        (tickPerSecond > systemClock)) {
        return LOS_ERRNO_TICK_CFG_INVALID;
    }
    HalClockInit();

    return LOS_OK;
}

HalClockInit()函数定义在targets\bsp\hw\arm\timer\arm_cortex_m\systick.c，使用LOS_HwiCreate()为中断号M_INT_NUM创建一个中断，每一个Tick中断发生时，都会调用中断处理程序OsTickHandler()，这个函数后文会分析。

#define M_INT_NUM  15

VOID HalClockInit(VOID)
{
    UINT32 ret = LOS_HwiCreate(M_INT_NUM, 0, 0, OsTickHandler, 0);
    if (ret != 0) {
        PRINTK("ret of LOS_HwiCreate = %#x\n", ret);
    }
#if defined (LOSCFG_ARCH_ARM_CORTEX_M) && (LOSCFG_KERNEL_CPUP)
    TimerHwiCreate();
#endif
}

1.3 时间管理模块启动OsTickStart()

在系统开始调度之前，函数INT32 main(VOID)会调用系统启动函数VOID OsStart(VOID)，它会调用时间模块启动函数OsTickStart()，进一步调用HalClockStart()。我们分析下函数的代码实现。

⑴处全局变量g_cyclesPerTick表示每Tick对应的cycle数目。⑵处函数定义在arch\arm\cortex_m\cmsis\core_cm7.h文件中，初始化系统定时器Systick并启动，Systick相关的代码自行阅读。⑶处调用LOS_HwiEnable()函数使能Tick中断。

文件kernel\base\los_tick.c：

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID OsTickStart(VOID)
{
    HalClockStart();
}

文件targets\bsp\hw\arm\timer\arm_cortex_m\systick.c:

VOID HalClockStart(VOID)
{
    if ((OS_SYS_CLOCK == 0) ||
        (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND == 0) ||
        (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND > OS_SYS_CLOCK)) {
        return;
    }

⑴  g_cyclesPerTick = OS_CYCLE_PER_TICK;

⑵   (VOID)SysTick_Config(OS_CYCLE_PER_TICK);

⑶   UINT32 ret = LOS_HwiEnable(M_INT_NUM);
    if (ret != 0) {
        PRINTK("LOS_HwiEnable failed. ret = %#x\n", ret);
    }
}

1.4 Tick中断处理函数OsTickHandler()

这是时间管理模块中执行最频繁的函数VOID OsTickHandler(VOID)，每当Tick中断发生时就会调用该函数。⑴处会更新全局数组全局数组g_tickCount每个核的tick数据。⑵和tickless特性相关，后续系列分析。⑶处会遍历任务的排序链表，检查是否有超时的任务。⑷处如果支持定时器特性，会检查定时器排序链表中的定时器是否超时。

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
{
    UINT32 intSave;

    TICK_LOCK(intSave);
⑴  g_tickCount[ArchCurrCpuid()]++;
    TICK_UNLOCK(intSave);

#ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS
⑵   OsTickIrqFlagSet(OsTicklessFlagGet());
#endif

#if (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME == YES)
    HalClockIrqClear(); /* diff from every platform */
#endif

#ifdef LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE
    OsTimesliceCheck();
#endif

⑶   OsTaskScan(); /* task timeout scan */

#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == YES)
⑷  OsSwtmrScan();
#endif
}

2、LiteOS内核时间管理常用操作

Huawei LiteOS的时间管理提供下面几种功能，时间转换、时间统计、延时管理等，我们剖析下这些接口的源代码实现。

2.1 时间转换操作

2.1.1 毫秒转换成Tick

函数UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)把输入参数毫秒数UINT32 millisec可以转化为Tick数目。代码中OS_SYS_MS_PER_SECOND，即1秒等于1000毫秒。时间转换也比较简单，知道一秒多少Tick，除以OS_SYS_MS_PER_SECOND，得出1毫秒多少Tick，然后乘以millisec，计算出结果值。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)
{
    if (millisec == UINT32_MAX) {
        return UINT32_MAX;
    }

    return (UINT32)(((UINT64)millisec * LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND) / OS_SYS_MS_PER_SECOND);
}

2.1.2 Tick转化为毫秒

函数UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 tick)把输入参数Tick数目转换为毫秒数。时间转换也比较简单，tick除以LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND，计算出多少秒，然后转换成毫秒，计算出结果值。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 tick)
{
    return (UINT32)(((UINT64)tick * OS_SYS_MS_PER_SECOND) / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND);
}

2.2 时间统计操作

2.2.1 每个Tick多少Cycle数

函数UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)计算1个tick等于多少cycle。g_sysClock系统时钟表示1秒多少cycle，LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND一秒多少tick，相除计算出1 tick多少cycle数。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)
{
    return g_sysClock / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
}

2.2.2 获取自系统启动以来的Tick数

UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)函数计算自系统启动以来的Tick数。需要注意，在关中断的情况下不进行计数，不能作为准确时间使用。全局数组UINT64 g_tickCount[LOSCFG_KERNEL_CORE_NUM]记录每一个核的自系统启动以来的Tick数，每次Tick中断发生时，在函数VOID OsTickHandler(VOID)中会更新这个数组的数据。我们取第一个核的Tick数作为返回结果。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)
{
    UINT32 intSave;
    UINT64 tick;
    TICK_LOCK(intSave);
    tick = g_tickCount[0];
    TICK_UNLOCK(intSave);

    return tick;
}

2.2.3 获取自系统启动以来的Cycle数

VOID LOS_GetCpuCycle(UINT32 *highCnt, UINT32 *lowCnt)函数获取自系统启动以来的Cycle数。这个函数调用定义在文件targets\bsp\hw\arm\timer\arm_cortex_m\systick.c中的HalClockGetCycles()函数获取64位的无符号整数。返回结果按高低32位的无符号数值UINT32 *highCnt, UINT32 *lowCnt分别返回。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID LOS_GetCpuCycle(UINT32 *highCnt, UINT32 *lowCnt)
{
    UINT64 cycle;

    if ((highCnt == NULL) || (lowCnt == NULL)) {
        return;
    }
    cycle = HalClockGetCycles();

    /* get the high 32 bits */
    *highCnt = (UINT32)(cycle >> 32);
    /* get the low 32 bits */
    *lowCnt = (UINT32)(cycle & 0xFFFFFFFFULL);
}

我们继续看下函数HalClockGetCycles()函数。先关中断，然后⑴处获取启动启动以来的Tick数目。⑵处通过读取当前值寄存器SysTick Current Value Register，获取hwCycle。
⑷ cycle = (swTick * g_cyclesPerTick) + (g_cyclesPerTick - hwCycle);
⑶处表示中断控制和状态寄存器Interrupt Control and State Register的第TICK_INTR_CHECK位为1时，表示挂起systick中断，tick没有计数，需要加1校准。⑷处根据swTick、g_cyclesPerTick和hwCycle计算出自系统启动以来的Cycle数。

UINT64 HalClockGetCycles(VOID)
{
    UINT64 swTick;
    UINT64 cycle;
    UINT32 hwCycle;
    UINT32 intSave;

    intSave = LOS_IntLock();

⑴  swTick = LOS_TickCountGet();
⑵  hwCycle = SysTick->VAL;

⑶  if ((SCB->ICSR & TICK_INTR_CHECK) != 0) {
        hwCycle = SysTick->VAL;
        swTick++;
    }

⑷  cycle = (swTick * g_cyclesPerTick) + (g_cyclesPerTick - hwCycle);
    LOS_IntRestore(intSave);
#if defined (LOSCFG_ARCH_ARM_CORTEX_M) && (LOSCFG_KERNEL_CPUP)
    cycle = HalClockGetCpupCycles() * TIMER_CYCLE_SWITCH;
#endif
    return cycle;
}

2.2.4 获取自系统启动以来的纳秒数

函数UINT64 LOS_CurrNanosec(VOID)计算获取自系统启动以来的纳秒数。HalClockGetCycles()获取自系统启动以来的Cycle数，除以表示每秒多少cycle的系统时钟g_sysClock，可以计算出自系统启动以来的秒数，然后乘以秒和纳秒的换算关系OS_SYS_NS_PER_SECOND，即可获取自系统启动以来的纳秒数。代码中出现2次除以OS_SYS_NS_PER_MS，来减小中间值避免数值溢出。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT64 LOS_CurrNanosec(VOID)
{
    UINT64 nanos;
    nanos = HalClockGetCycles() * (OS_SYS_NS_PER_SECOND / OS_SYS_NS_PER_MS) / (g_sysClock / OS_SYS_NS_PER_MS);
    return nanos;
}

2.3 延时管理

2.3.1 LOS_Udelay()微秒等待

以us为单位的忙等，但可以被优先级更高的任务抢占。该函数VOID LOS_Udelay(UINT32 usecs)进一步调用targets\bsp\hw\arm\timer\arm_cortex_m\systick.c文件中定义的函数VOID HalDelayUs(UINT32 usecs)。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID LOS_Udelay(UINT32 usecs)
{
    HalDelayUs(usecs);
}

继续分析下函数VOID HalDelayUs(UINT32 usecs)。微秒转换为纳秒，计算当前的纳秒数值，然后while循环，使用汇编指令空操作，等待超时。

VOID HalDelayUs(UINT32 usecs)
{
    UINT64 tmo = LOS_CurrNanosec() + usecs * OS_SYS_NS_PER_US;

    while (LOS_CurrNanosec() < tmo) {
        __asm__ volatile ("nop");
    }
}

2.3.2 LOS_Mdelay()毫秒等待

以ms为单位的忙等，但可以被优先级更高的任务抢占。该函数把参数UINT32 msecs毫秒转换为微妙，需要考虑数值溢出的问题。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID LOS_Mdelay(UINT32 msecs)
{
    UINT32 delayUs = (UINT32_MAX / OS_SYS_US_PER_MS) * OS_SYS_US_PER_MS;

    while (msecs > UINT32_MAX / OS_SYS_US_PER_MS) {
        HalDelayUs(delayUs);
        msecs -= (UINT32_MAX / OS_SYS_US_PER_MS);
    }
    HalDelayUs(msecs * OS_SYS_US_PER_MS);
}

小结

本文带领大家一起剖析了LiteOS时间管理模块的源代码。时间管理模块为任务调度提供必要的时钟节拍，会向应用程序提供所有和时间有关的服务，如时间转换、统计、延迟功能。

感谢阅读，如有任何问题、建议，都可以留言给我们： https://gitee.com/LiteOS/LiteOS/issues 。为了更容易找到LiteOS代码仓，建议访问 https://gitee.com/LiteOS/LiteOS ，关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下，如下图，谢谢。

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