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μC/OS-II的软件定时器的改进的方法
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2017-10-31
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1、概述
软件定时器是一种软件措施，通过它可以使一项特定的任务在给定的时间段后被执行。软件定时器广泛地应用于内核设计和应用程序设计中，例如，一个进程使用软件定时器等待其他的进程完成特定的动作，以使任务间的操作同步等，因此，对软件定时器的高效实现对提升系统的响应效率是至关重要的。
作为一种基础的软件措施，μC/OS-II［1］的 V2.86版本中增加了对软件定时器的支持。使用μC/OS-II提供的软件定时器，应用程序可以方便地完成特定的定时任务。本文对μC/OS-II的软件定时器的实现机制进行简要分析，然后提出了对μC/OS-II的软件定时器的实现进行改进的方法。
2、μC/OS-II软件定时器的实现机制及算法分析
2.1 μC/OS-II软件定时器的核心数据结构
μC/OS-II实现软件定时器的核心数据结构是 OS_TMR，其定义如下：
typedef struct os_tmr {
INT8U OSTmrType; /*应该设置为OS_TMR_TYPE*/
OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定时间到达时要执行的回调函数*/
void *OSTmrCallbackArg; /*传递给回调函数的参数*/
void *OSTmrNext; /*软件定时器链表管理指针*/
void *OSTmrPrev;
INT32U OSTmrMatch; /*当OSTmrTime == OSTmrMatch 时表示定时器时间到*/
INT32U OSTmrDly; /*对于周期性定时器，再次启动定时器前的延时时间*/
INT32U OSTmrPeriod; /*对于周期性定时器，时钟周期的长度*/
INT8U OSTmrOpt; /*选项 （如 OS_TMR_OPT_xxx 等） */
INT8U OSTmrState; /*定时器的状态*/
} OS_TMR;
每个 OS_TMR结构的实例定义了一个软件定时器，多个软件定时器通过结构中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev构成一个定时器双向链表。
为了提高对软件定时器的管理效率，μC/OS-II引入了“定时器轮”数据结构，所谓定时器轮，是将定时器实例中的 OSTmrMatch域的值参照某一个预先设计的数（称为轮数）进行求余运算，并根据求余结果将定时器进行分组以改善对到期定时器的命中率。定时器轮数缺省配置如下：
typedef struct os_tmr_wheel {
OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定时器的指针*/
INT16U OSTmrEntries; /*该定时器轮中的定时器项数*/
} OS_TMR_WHEEL;
缺省配置下，μC/OS-II 定义的轮数为8，因此，μC/OS-II 的定时器轮为如下的一个数组：
OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl［8］;
例如，在某一个特定的时刻，此处假设时刻5，系统中有定时时间为2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的软件定时器，那么，这些定时器将在时钟滴答分别为7、9、10、37、166、362时到期，则此时系统的定时器轮的实例如图 1所示：
2.2 μC/OS-II软件定时器的处理算法分析
μC/OS-II对定时器的超时处理在一个称为“uC/OS-II Tmr”的任务中进行，该任务是通过信号量 OSTmrSemSignal来激活。基于以上定义的定时器轮，μC/OS-II对定时器的处理算法如下：
static void OSTmr_Task （void *p_arg）
{
for（;;）
{
等待OSTmrSemSignal 信号量并获得OSTmrWheelTbl 的访问权；
STmrTime = OSTmrTime+1，并对8 求余后得到对应的定时器轮项索引index;
for OSTmrWheelTbl［index］定时器轮中的每一个定时器ptmr，do
{
if （OSTmrTime == ptmr-》OSTmrMatch） {
执行ptmr 软件定时器中的回调函数；
对于单次定时器，从定时器轮中删除该时钟；
对于周期性定时器，则重置该定时器的OSTmrMatch 值；
}
}
释放对OSTmrWheelTbl 的访问权；
}
}
2.3 μC/OS-II的定时器处理算法的效率分析 采用上面的例子，对μC/OS-II的定时器处理算法效率进行一个简单的分析：在下一次时钟滴答，也就是时钟滴答 6时，没有定时器到期，而 for循环必须对每个时钟进行检查，类似的情况还发生在自时钟到达 10以后的多个检查中。根据系统中的定时器的数量，这种无谓的检查将占用大量的 CPU时间。
软件定时器是一种软件措施，通过它可以使一项特定的任务在给定的时间段后被执行。软件定时器广泛地应用于内核设计和应用程序设计中，例如，一个进程使用软件定时器等待其他的进程完成特定的动作，以使任务间的操作同步等，因此，对软件定时器的高效实现对提升系统的响应效率是至关重要的。
作为一种基础的软件措施，μC/OS-II［1］的 V2.86版本中增加了对软件定时器的支持。使用μC/OS-II提供的软件定时器，应用程序可以方便地完成特定的定时任务。本文对μC/OS-II的软件定时器的实现机制进行简要分析，然后提出了对μC/OS-II的软件定时器的实现进行改进的方法。
2、μC/OS-II软件定时器的实现机制及算法分析
2.1 μC/OS-II软件定时器的核心数据结构
μC/OS-II实现软件定时器的核心数据结构是 OS_TMR，其定义如下：
typedef struct os_tmr {
INT8U OSTmrType; /*应该设置为OS_TMR_TYPE*/
OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定时间到达时要执行的回调函数*/
void *OSTmrCallbackArg; /*传递给回调函数的参数*/
void *OSTmrNext; /*软件定时器链表管理指针*/
void *OSTmrPrev;
INT32U OSTmrMatch; /*当OSTmrTime == OSTmrMatch 时表示定时器时间到*/
INT32U OSTmrDly; /*对于周期性定时器，再次启动定时器前的延时时间*/
INT32U OSTmrPeriod; /*对于周期性定时器，时钟周期的长度*/
INT8U OSTmrOpt; /*选项 （如 OS_TMR_OPT_xxx 等） */
INT8U OSTmrState; /*定时器的状态*/
} OS_TMR;
每个 OS_TMR结构的实例定义了一个软件定时器，多个软件定时器通过结构中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev构成一个定时器双向链表。
为了提高对软件定时器的管理效率，μC/OS-II引入了“定时器轮”数据结构，所谓定时器轮，是将定时器实例中的 OSTmrMatch域的值参照某一个预先设计的数（称为轮数）进行求余运算，并根据求余结果将定时器进行分组以改善对到期定时器的命中率。定时器轮数缺省配置如下：
typedef struct os_tmr_wheel {
OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定时器的指针*/
INT16U OSTmrEntries; /*该定时器轮中的定时器项数*/
} OS_TMR_WHEEL;
缺省配置下，μC/OS-II 定义的轮数为8，因此，μC/OS-II 的定时器轮为如下的一个数组：
OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl［8］;
例如，在某一个特定的时刻，此处假设时刻5，系统中有定时时间为2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的软件定时器，那么，这些定时器将在时钟滴答分别为7、9、10、37、166、362时到期，则此时系统的定时器轮的实例如图 1所示：
2.2 μC/OS-II软件定时器的处理算法分析
μC/OS-II对定时器的超时处理在一个称为“uC/OS-II Tmr”的任务中进行，该任务是通过信号量 OSTmrSemSignal来激活。基于以上定义的定时器轮，μC/OS-II对定时器的处理算法如下：
static void OSTmr_Task （void *p_arg）
{
for（;;）
{
等待OSTmrSemSignal 信号量并获得OSTmrWheelTbl 的访问权；
STmrTime = OSTmrTime+1，并对8 求余后得到对应的定时器轮项索引index;
for OSTmrWheelTbl［index］定时器轮中的每一个定时器ptmr，do
{
if （OSTmrTime == ptmr-》OSTmrMatch） {
执行ptmr 软件定时器中的回调函数；
对于单次定时器，从定时器轮中删除该时钟；
对于周期性定时器，则重置该定时器的OSTmrMatch 值；
}
}
释放对OSTmrWheelTbl 的访问权；
}
}
2.3 μC/OS-II的定时器处理算法的效率分析 采用上面的例子，对μC/OS-II的定时器处理算法效率进行一个简单的分析：在下一次时钟滴答，也就是时钟滴答 6时，没有定时器到期，而 for循环必须对每个时钟进行检查，类似的情况还发生在自时钟到达 10以后的多个检查中。根据系统中的定时器的数量，这种无谓的检查将占用大量的 CPU时间。
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