一、概述
在嵌入式系統開發中，定時器是實現任務調度、精確延時等功能的核心組件。Arch Timer 作為基于 Timer Driver 實現的間隔定時器，在系統調度中扮演著重要角色。本文將全面介紹 Arch Timer 驅動框架，從基本概念到實際應用，幫助開發者快速掌握其使用與開發技巧。
二、認識 Arch Timer
1. 什么是 Arch Timer
Arch Timer 是基于 Timer Driver 實現的間隔定時器，為操作系統的 sched 模塊提供了豐富的 timer 接口。它支持兩種工作模式，以滿足不同場景的需求：
Tickless 模式：允許更靈活高效的系統調度，無周期性時鐘中斷，系統在無任務執行時進入空閑模式，有效降低功耗。Tick 模式：提供固定時間間隔的調度機制，按照配置的固定周期運行，保證周期性任務的穩定執行。
Arch timer 在系統中的位置框架如下圖所示：
2. Arch Timer 的驅動框架
Arch Timer 的驅動框架分為 upper - half 和 lower - half 兩部分：
upper - half部分：由 openvela 提供，其中up_timer_initialize接口需由芯片廠商實現。lower - half部分：需芯片廠商進行適配，實現硬件級別的控制。
應用程序可通過標準的 POSIX API 接口或 ioctl 接口，調用這兩部分的接口來完成相應功能。
三、Arch Timer 接口詳解
sched 模塊依賴于 arch 模塊提供的定時器接口，這些接口定義在 /include/nuttx/arch.h 頭文件中。在 Tickless 模式下，接口按時間單位分為基于微秒（us）和基于計時單元（tick）的兩組，開發者可通過配置選項 CONFIG_SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT 選擇啟用哪一組。默認支持 tick 接口以確保運行效率，部分主要接口如下：
Arch Timer 接口說明
| 接口名稱 | 功能描述 |
|---|---|
| up_timer_set_lowerhalf | 初始化 Arch Timer 定時器，設置一個 timer_lowerhalf_s 實例，并啟動定時器 |
| up_timer_tick_start | 啟動定時器，僅在 Tickless 模式下使用，參數為超時時間（單位：tick） |
| up_timer_tick_cancel | 停止 Arch Timer 定時器，僅在 Tickless 模式中使用，返回當前剩余 tick 數 |
| up_timer_getmask | 獲取定時器支持的時間掩碼（mask）的值 |
| up_timer_gettick | 獲取定時器當前已經經過的 tick 數值 |
| up_udelay | 實現以微秒（us）為單位的延時操作 |
| up_mdelay | 實現以毫秒（ms）為單位的延時操作 |
四、Timer Driver 深入了解
1. 配置說明
啟用和調整 Timer Driver 功能需配置三個關鍵選項：
CONFIG_TIMER：啟用 Timer Driver 功能。
CONFIG_TIMER_ARCH：啟用 arch timer 模塊。
CONFIG_SCHED_TICKLESS：啟用 Tickless 模式。
相關配置文件路徑如下：
sched/Kconfig：包含 SCHED_TICKLESS 等相關配置。
# sched/Kconfig
config SCHED_TICKLESSdepends on ARCH_HAVE_TICKLESSconfig SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT
config SCHED_TICKLESS_LIMIT_MAX_SLEEP
drivers/timers/Kconfig：包含 TIMER 和 TIMER_ARCH 等配置。
# drivers/timers/Kconfig
config TIMER
......
if TIMER
config TIMER_ARCHselect ARCH_HAVE_TICKLESSselect ARCH_HAVE_TIMEKEEPINGselect SCHED_TICKLESS_LIMIT_MAX_SLEEP if SCHED_TICKLESSselect SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT if SCHED_TICKLESS
#endif
可通過以下命令檢查配置是否正確：
grep -rE "CONFIG_TIMER|CONFIG_TIMER_ARCH|CONFIG_ARCH_HAVE_TICKLESS|CONFIG_ARCH_HAVE_TIMEKEEPING|CONFIG_SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT|CONFIG_SCHED_TICKLESS_LIMIT_MAX_SLEEP" nuttx/.config
2. 初始化
在 board 初始化過程中，需調用具體廠商實現的 ***_timer_initialize 函數，完成分配并初始化 struct timer_lowerhalf_s 結構實例、注冊 Timer 驅動等操作，注冊后會生成 /dev/timer 設備節點，并綁定相關結構實例。
/***************************************************************************** Name: timer_register** Description:* This function binds an instance of a "lower half" timer driver with the* "upper half" timer device and registers that device so that can be used* by application code.** When this function is called, the "lower half" driver should be in the* disabled state (as if the stop() method had already been called).** NOTE: Normally, this function would not be called by application code.* Rather it is called indirectly through the architecture-specific* initialization.** Input Parameters:* dev path - The full path to the driver to be registered in the NuttX* pseudo-filesystem. The recommended convention is to name all timer* drivers as "/dev/timer0", "/dev/timer1", etc. where the driver* path differs only in the "minor" number at the end of the device name.* lower - A pointer to an instance of lower half timer driver. This* instance is bound to the timer driver and must persists as long as* the driver persists.** Returned Value:* On success, a non-NULL handle is returned to the caller. In the event* of any failure, a NULL value is returned.*****************************************************************************/FAR void *timer_register(FAR const char *path,FAR struct timer_lowerhalf_s *lower);
3. 上下層接口
-
upper - half接口：主要供 sched 調用，根據配置可選擇以struct timespec或 tick 為單位的接口，減少時間轉換工作。 -
lower - half接口：通過struct timer_ops_s提供標準化接口，供 upper - half、ioctl 系統調用等使用，按時間單位分為兩組，開發者可根據需求選擇實現，未實現的接口有默認實現。
struct timer_ops_s
{/* Required methods *******************************************************/CODE int (*start)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower);CODE int (*stop)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower);CODE int (*getstatus)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,FAR struct timer_status_s *status);CODE int (*settimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,uint32_t timeout);CODE void (*setcallback)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,CODE tccb_t callback, FAR void *arg);CODE int (*maxtimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,FAR uint32_t *maxtimeout);CODE int (*ioctl)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower, int cmd,unsigned long arg);CODE int (*tick_getstatus)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,FAR struct timer_status_s *status);CODE int (*tick_setttimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,uint32_t timeout);CODE int (*tick_maxtimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,FAR uint32_t *maxtimeout);
};
五、調用流程解析
- Tickless 模式
- 模式概述：sched 動態管理軟件定時器，選擇最短時長的定時器作為下一次超時時間，動態調用啟動或停止函數。
- 調用流程：初始化定時器后，sched 計算超時時間，配置并啟動定時器，超時后觸發回調函數通知 sched，隨后重新分配時長并啟動下一個定時器或任務。
以下為 Tickless 模式下的調用流程圖：
- Tick 模式
- 模式概述：sched 啟用固定時間間隔的周期性定時器，間隔由 CONFIG_USEC_PER_TICK 配置，系統初始化時啟動，無需頻繁調用啟動和停止接口。
- 流程描述：初始化時啟動周期性定時器，按固定周期觸發事件，觸發調度器調度，保證周期性任務執行。
六、驅動適配實例
以 nrf52（基于 ARMv7 - M 架構）為例，驅動適配主要包括兩部分：
1. 實現 up_timer_initialize 接口
在平臺特定代碼中實現該接口，調用 timer_register 函數注冊定時器驅動，生成設備節點。初始化調用流程如下：
nx_start
-> clock_initialize-> up_timer_initialize #開發者實現-> systick_initialize #開發者實現-> timer_register-> up_timer_set_lowerhalf
以下為 systick_initialize 的實現參考：
struct timer_lowerhalf_s *systick_initialize(bool coreclk,unsigned int freq, int minor)
{struct systick_lowerhalf_s *lower =(struct systick_lowerhalf_s *)&g_systick_lower;.../* Register the timer driver if need */if (minor >= 0){char devname[32];sprintf(devname, "/dev/timer%d", minor);timer_register(devname, (struct timer_lowerhalf_s *)lower);}return (struct timer_lowerhalf_s *)lower;
}
2. 實現 lower - half 接口
通過定義 struct timer_ops_s 結構的實例，實現其中的方法，如 start、stop 等，以控制硬件運行。
在 ARMv7-M 的 Arch Timer 適配中，lower-half 方法的出現形式如下：
文件路徑： arch/arm/src/armv7-m/arm_systick.c
/* "Lower half" driver methods */
static const struct timer_ops_s g_systick_ops =
{.start = systick_start,.stop = systick_stop,.getstatus = systick_getstatus,.settimeout = systick_settimeout,.setcallback = systick_setcallback,.maxtimeout = systick_maxtimeout,
};
七、POSIX API 與測試實例
1. POSIX API
包括 timer_create、timer_delete、timer_settime 等接口，用于創建、刪除、配置定時器等操作。
timer_create
/*
* 函數：timer_create
* 參數：clockid，定時類型；evp,sigevent結構體，用來指定定時器到期時如何相應
* timerid，返回一個timerid
* 返回：0 success | -1 error
* 說明：創建一個定時器
*/
int timer_create(clockid_t clockid, FAR struct sigevent *evp,FAR timer_t *timerid);
timer_delete
/*
* 函數：timer_delete
* 參數：timerid，執行timer_create返回的timerid
* 返回：0 success | -1 error
* 說明：刪除一個定時器
*/
int timer_delete(timer_t timerid);
timer_settime
/* 設置定時器
* 函數：timer_settime
* 參數：timerid：id
* flags：相對時間/絕對時間
* value：定時時間和間隔
* ovalue：若不為NULL，則返回上次定時的剩余到期時間
* 返回：0 success | -1 error
* 說明：設置定時
*/
int timer_settime(timer_t timerid, int flags,FAR const struct itimerspec *value,FAR struct itimerspec *ovalue);
2. IOCTL 接口
應用級別的程序可以通過 ioctl 函數直接操作定時器（前提是在 bringup 過程中已注冊 /dev/timer 設備節點）。
支持的 IOCTL 命令
| IOCTL 命令 | 功能描述 | 參數類型 | 參數說明 |
|---|---|---|---|
| TCIOC_START | 啟動定時器 | 無 | 無 |
| TCIOC_STOP | 停止定時器 | 無 | 無 |
| TCIOC_GETSTATUS | 獲取當前定時器的狀態 | struct timer_status_s* | 用于存儲定時器狀態信息的結構體指針 |
| TCIOC_SETTIMEOUT | 設置定時器間隔時間（單位：微秒） | 32位無符號整數 | 定時器的間隔時間值 |
| TCIOC_NOTIFICATION | 設置定時器超時消息 | struct timer_notify_s* | 包含超時通知配置的結構體指針 |
| TCIOC_MAXTIMEOUT | 獲取定時器支持的最大時延（單位：微秒） | uint32_t* | 用于存儲最大時延值的指針 |
3. 測試實例
- TIMER API 測試：通過
cmocka測試框架驗證 POSIX API 的工作，包括創建、配置、以及刪除定時器的全過程。
此部分介紹如何測試定時器相關功能，通過 cmocka 測試框架（可參考文檔：OpenVela之開發自測試框架cmocka進行cmocka相關配置）驗證 POSIX API 的工作，包括創建、配置、以及刪除定時器的全過程。
- 代碼位置：
apps/testing/drivertest/drivertest_posix_timer.c - 測試框架：
cmocka - 依賴配置：
TESTING_CMOCKATESTING_DRIVER_TESTCONFIG_SIG_EVTHREAD
- 運行步驟：
- 啟用上述配置，并構建固件。
- 在 NuttShell（NSH）中運行以下命令：
nsh> cmocka_posix_timer
- IOCTL 測試：通過 IOCTL 命令控制定時器設備，測試啟動、停止、設置間隔等功能。
- 代碼路徑：
apps/testing/drivertest/drivertest_timer.c - 測試框架：
cmocka - 依賴配置：
TESTING_CMOCKATESTING_DRIVER_TEST
- 測試步驟：
- 啟用依賴配置，并構建功能完整的固件。
- 在 NuttShell（NSH）中運行以下命令：
nsh> cmocka_driver_timer
總結
Arch Timer 驅動框架為嵌入式系統提供了靈活高效的定時器解決方案，支持兩種工作模式，滿足不同調度需求。通過本文的介紹，相信開發者對其原理、接口、配置和應用有了全面的了解，能夠根據實際需求進行開發和適配，充分發揮其在系統調度中的作用。
的RTSP服務器(附帶源碼))
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