踩准时钟节拍、玩转时间转换,鸿蒙轻内核时间管理有妙招

1,107 阅读8分钟

​​​​​​​​​​​​​​​​​摘要: 本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的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。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列六 时间管理》,原文作者:zhushy 。

本文会继续分析 Tick 和时间相关的源码,给读者介绍鸿蒙轻内核的时间管理模块。本文中所涉及的源码,以 OpenHarmony LiteOS-M 内核为例,均可以在开源站点
gitee.com/openharmony… 获取。

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。

下面,我们剖析下时间管理模块的源代码,若涉及开发板部分,以开发板工程 targets\
cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\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

时间管理模块涉及 3 个配置项,系统时钟 OS_SYS_CLOCK、每秒 Tick 数目
LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND 两个配置选项,还有宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME。LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME 默认关闭,开启时,需要提供定制函数 VOID platform_tick_handler(VOID),在 Tick 中断处理函数中执行定制操作。这些配置项在模板开发板工程目录的文件 target_config.h 中定义,如文件 targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\target_config.h 中定义如下:

#define OS_SYS_CLOCK                                        96000000
#define LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND                    (1000UL)
#define LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME                       0

1.2 时间管理初始化和启动

函数 INT32 main(VOID)会调用 kernel\src\los_init.c 中的函数 UINT32 LOS_Start(VOID)启动系统,该函数会调用启动调度函数 UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)。源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_Start(VOID)
{
    return HalStartSchedule(OsTickHandler);
}

​函数 UINT32 HalTickStart(OS_TICK_HANDLER *handler)定义在 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c,源码如下。其中函数参数为 Tick 中断处理函数 OsTickHandler(),后文会分析该 tick 中断处理函数。⑴处代码继续调用函数进一步调用函数 HalTickStart(handler)来设置 Tick 中断启动。⑵处会调用汇编函数 HalStartToRun 开始运行系统,后续任务调度系列再详细分析该汇编函数。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)
{
    UINT32 ret;
⑴  ret = HalTickStart(handler);
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
⑵  HalStartToRun();
    return LOS_OK; /* never return */
}

函数 HalTickStart(handler)定义在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c,源码如下,我们分析下函数的代码实现。⑴处校验下时间管理模块的配置项的合法性。在开启宏
LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT 时,会使用系统定义的中断。会执行⑵处的代码,调用定义在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c 中的函数 OsSetVector()设置中断向量,该函数在中断系列会详细分析。⑶处设置全局变量 g_sysClock 为系统时钟,g_cyclesPerTick 为每 tick 对应的 cycle 数目,g_ullTickCount 初始化为 0,表示系统 tick 中断发生次数。⑷处调用定义在 targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\Drivers\CMSIS\Include\core_cm7.h 文件中的内联函数 uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks),初始化、启动系统定时器 Systick 和中断。

WEAK UINT32 HalTickStart(OS_TICK_HANDLER *handler)
{
    UINT32 ret;


⑴  if ((OS_SYS_CLOCK == 0) ||
        (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND == 0) ||
        (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND > OS_SYS_CLOCK)) {
        return LOS_ERRNO_TICK_CFG_INVALID;
    }


#if (LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT == 1)
#if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
    OsSetVector(SysTick_IRQn, (HWI_PROC_FUNC)handler, NULL);
#else
⑵  OsSetVector(SysTick_IRQn, (HWI_PROC_FUNC)handler);
#endif
#endifg_sysClock = OS_SYS_CLOCK;
    g_cyclesPerTick = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
    g_ullTickCount = 0;ret = SysTick_Config(g_cyclesPerTick);
    if (ret == 1) {
        return LOS_ERRNO_TICK_PER_SEC_TOO_SMALL;
    }


    return LOS_OK;
}

1.3 Tick 中断处理函数 OsTickHandler()

文件 kernel\src\los_tick.c 定义的函数 VOID OsTickHandler(VOID),是时间管理模块中执行最频繁的函数,每当 Tick 中断发生时就会调用该函数。我们分析下该函数的源码,⑴处如果开启宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME,会调用定制的 tick 处理函数 platform_tick_handler(),默认不开启。⑵处会更新全局变量 g_ullTickCount,⑶处如果开启宏 LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE,会检查当前运行任务的时间片,在后续任务模块会详细分析下函数 OsTimesliceCheck()。⑷处会遍历任务的排序链表,检查是否有超时的任务。⑸处如果支持定时器特性,会检查定时器是否超时。

源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
{
#if (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME == 1)
⑴  platform_tick_handler();
#endif


⑵  g_ullTickCount++;


#if (LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE == 1)
⑶  OsTimesliceCheck();
#endifOsTaskScan();  // task timeout scan


#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == 1)
⑸  (VOID)OsSwtmrScan();
#endif
}

2、LiteOS 内核时间管理常用操作

时间管理提供下面几种功能,时间转换、时间统计等,这些函数定义在文件kernel\src\los_tick.c,我们剖析下这些操作的源代码实现。

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 Tick 数目的结果值并返回。

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


    return ((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,ticks 数目除以每秒多少 Tick 数值
LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND,计算出多少秒,然后转换成毫秒,计算出结果值并返回。

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

2.1.3 Cycle 数目转化为毫秒

介绍转换函数之前,先看下一个 CpuTick 结构体,结构体比较简单,就 2 个成员,分别表示一个 UINT64 类型数据的高、低 32 位数值。

typedef struct tagCpuTick {
    UINT32 cntHi; /* < 一个64位数值的高32位 */
    UINT32 cntLo; /* < 一个64位数值的低32位 */
} CpuTick;

继续看转换函数 OsCpuTick2MS(),它可以把 CpuTick 类型表示的 cycle 数目转换为对应的毫秒数,输出毫秒数据的高、低 32 位数值。看下具体的代码,⑴处校验参数是否为空指针,⑵处检查系统时钟是否配置。⑶处把 CpuTick 结构体表示的 cycle 数目转化为 UINT64 类型数据。⑷处进行数值计算,(DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_MS_PER_SECOND 得到每毫秒多少个 cycle 数,然后和 tmpCpuTick 做除法运算,得到 cycle 数目对应的毫秒数目。⑸处把 DOUBLE 类型转换为 UINT64 类型,然后执行⑹,分别把结果数值的高、低 64 位赋值给*msLo、*msHi。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsCpuTick2MS(CpuTick *cpuTick, UINT32 *msHi, UINT32 *msLo)
{
    UINT64 tmpCpuTick;
    DOUBLE temp;


⑴  if ((cpuTick == NULL) || (msHi == NULL) || (msLo == NULL)) {
        return LOS_ERRNO_SYS_PTR_NULL;
    }


⑵  if (g_sysClock == 0) {
        return LOS_ERRNO_SYS_CLOCK_INVALID;
    }
⑶  tmpCpuTick = ((UINT64)cpuTick->cntHi << OS_SYS_MV_32_BIT) | cpuTick->cntLo;temp = tmpCpuTick / ((DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_MS_PER_SECOND);


    tmpCpuTick = (UINT64)temp;


    *msLo = (UINT32)tmpCpuTick;
    *msHi = (UINT32)(tmpCpuTick >> OS_SYS_MV_32_BIT);


    return LOS_OK;
}

2.1.4 Cycle 数目转化为微秒

转换函数 OsCpuTick2US(),它可以把 CpuTick 类型表示的 cycle 数目转换为对应的毫秒数,输出毫秒数据的高、低 32 位数值。该函数和 OsCpuTick2MS()类似,自行阅读即可。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsCpuTick2US(CpuTick *cpuTick, UINT32 *usHi, UINT32 *usLo)
{
    UINT64 tmpCpuTick;
    DOUBLE temp;


    if ((cpuTick == NULL) || (usHi == NULL) || (usLo == NULL)) {
        return LOS_ERRNO_SYS_PTR_NULL;
    }


    if (g_sysClock == 0) {
        return LOS_ERRNO_SYS_CLOCK_INVALID;
    }
    tmpCpuTick = ((UINT64)cpuTick->cntHi << OS_SYS_MV_32_BIT) | cpuTick->cntLo;
    temp = tmpCpuTick / ((DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_US_PER_SECOND);


    tmpCpuTick = (UINT64)temp;


    *usLo = (UINT32)tmpCpuTick;
    *usHi = (UINT32)(tmpCpuTick >> OS_SYS_MV_32_BIT);


    return LOS_OK;
}

2.2 时间统计操作

2.2.1 获取每个 Tick 等于多少 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,即 g_cyclesPerTick = g_sysClock /LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)
{
    return g_cyclesPerTick;
}

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 中断的次数。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。每次 Tick 中断发生时,在函数 VOIDOsTickHandler(VOID)中会更新 g_ullTickCount 数据。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)
{
    return g_ullTickCount;
}

2.2.3 获取系统时钟

UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)函数获取配置的系统时钟。

UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)
{
    return g_sysClock;
}

2.2.4 获取系统启动以来的 Cycle 数

函数 VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo)定义在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c 中,该函数获取系统启动以来的 Cycle 数。返回结果按高、低 32 位的无符号数值 UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo 分别返回。

我们看下该函数的源码。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 SysTickCurrent Value Register,获取 hwCycle。⑶处表示中断控制和状态寄存器 Interrupt Control and State Register 的第 TICK_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。⑸处获取 Cycle 数的高、低 32 位的无符号数值,然后开中断、返回。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo)
{
    UINT64 swTick;
    UINT64 cycle;
    UINT32 hwCycle;
    UINTPTR intSave;


    intSave = LOS_IntLock();swTick = g_ullTickCount;hwCycle = SysTick->VAL;


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


⑷  cycle = (((swTick) * g_cyclesPerTick) + (g_cyclesPerTick - hwCycle));


⑸  *cntHi = cycle >> SHIFT_32_BIT;
    *cntLo = cycle & CYCLE_CHECK;


    LOS_IntRestore(intSave);


    return;
}

小结

本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的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。后续也会陆续推出更多的分享文章,敬请期待,也欢迎大家分享学习、使用鸿蒙轻内核的心得,有任何问题、建议,都可以留言给我们:gitee.com/openharmony… 。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓,建议访问 gitee.com/openharmony… ,关注 Watch、点赞 Star、并 Fork 到自己账户下,谢谢。

点击关注,第一时间了解华为云新鲜技术~