鴻蒙輕內核M核源碼分析系列五-時間管理

作者：zhushangyuan 2021-05-08 15:14:50

系統

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在鴻蒙輕內核源碼分析上一篇文章中，我們剖析了中斷的源碼，簡單提到了Tick中斷。本文會繼續分析Tick和時間相關的源碼，給讀者介紹鴻蒙輕內核的時間管理模塊。

時間管理模塊以系統時鐘為基礎，可以分為2部分，一部分是SysTick中斷，為任務調度提供必要的時鐘節拍;另外一部分是，給應用程序提供所有和時間有關的服務，如時間轉換、統計功能。

系統時鐘是由定時器/計數器產生的輸出脈沖觸發中斷產生的，一般定義為整數或長整數。輸出脈沖的周期叫做一個“時鐘滴答”，也稱為時標或者Tick。Tick是操作系統的基本時間單位，由用戶配置的每秒Tick數決定。如果用戶配置每秒的Tick數目為1000，則1個Tick等于1ms的時長。另外一個計時單位是Cycle，這是系統最小的計時單位。Cycle的時長由系統主時鐘頻率決定，系統主時鐘頻率就是每秒鐘的Cycle數，對于216 MHz的CPU，1秒產生216000000個cycles。

用戶以秒、毫秒為單位計時，而操作系統以Tick為單位計時，當用戶需要對系統進行操作時，例如任務掛起、延時等，此時可以使用時間管理模塊對Tick和秒/毫秒進行轉換。

下面，我們剖析下時間管理模塊的源代碼，若涉及開發板部分，以開發板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\為例進行源碼分析。

1、時間管理初始化和啟動

我們先看下時間管理模塊的相關配置，然后再剖析如何初始化，如何啟動。

1.1 時間管理相關的配置

時間管理模塊涉及3個配置項，系統時鐘OS_SYS_CLOCK、每秒Tick數目LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND兩個配置選項，還有宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME。LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME默認關閉，開啟時，需要提供定制函數VOID platform_tick_handler(VOID)，在Tick中斷處理函數中執行定制操作。這些配置項在模板開發板工程目錄的文件target_config.h中定義，如文件targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\target_config.h中定義如下:

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

1.2 時間管理初始化和啟動

函數INT32 main(VOID)會調用kernel\src\los_init.c中的函數UINT32 LOS_Start(VOID)啟動系統，該函數會調用啟動調度函數UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)。源碼如下：

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

函數UINT32 HalTickStart(OS_TICK_HANDLER *handler)定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c，源碼如下。其中函數參數為Tick中斷處理函數OsTickHandler()，后文會分析該tick中斷處理函數。⑴處代碼繼續調用函數進一步調用函數HalTickStart(handler)來設置Tick中斷啟動。⑵處會調用匯編函數HalStartToRun開始運行系統，后續任務調度系列再詳細分析該匯編函數。

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 */ 
}

函數HalTickStart(handler)定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c，源碼如下，我們分析下函數的代碼實現。⑴處校驗下時間管理模塊的配置項的合法性。在開啟宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT時，會使用系統定義的中斷。會執行⑵處的代碼，調用定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c中的函數OsSetVector()設置中斷向量，該函數在中斷系列會詳細分析。⑶處設置全局變量g_sysClock為系統時鐘，g_cyclesPerTick為每tick對應的cycle數目，g_ullTickCount初始化為0，表示系統tick中斷發生次數。⑷處調用定義在targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\Drivers\CMSIS\Include\core_cm7.h文件中的內聯函數uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)，初始化、啟動系統定時器Systick和中斷。

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 
#endif 
 
⑶  g_sysClock = OS_SYS_CLOCK; 
    g_cyclesPerTick = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND; 
    g_ullTickCount = 0; 
 
⑷  ret = SysTick_Config(g_cyclesPerTick); 
    if (ret == 1) { 
        return LOS_ERRNO_TICK_PER_SEC_TOO_SMALL; 
    } 
 
    return LOS_OK; 
}

1.3 Tick中斷處理函數OsTickHandler()

文件kernel\src\los_tick.c定義的函數VOID OsTickHandler(VOID)，是時間管理模塊中執行最頻繁的函數，每當Tick中斷發生時就會調用該函數。我們分析下該函數的源碼，⑴處如果開啟宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME，會調用定制的tick處理函數platform_tick_handler()，默認不開啟。⑵處會更新全局變量g_ullTickCount，⑶處如果開啟宏LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE，會檢查當前運行任務的時間片，在后續任務模塊會詳細分析下函數OsTimesliceCheck()。⑷處會遍歷任務的排序鏈表，檢查是否有超時的任務。⑸處如果支持定時器特性，會檢查定時器是否超時。

源碼如下：

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(); 
#endif 
 
⑷   OsTaskScan();  // task timeout scan 
 
#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == 1) 
⑸  (VOID)OsSwtmrScan(); 
#endif 
}

2、LiteOS內核時間管理常用操作

時間管理提供下面幾種功能，時間轉換、時間統計等，這些函數定義在文件kernel\src\los_tick.c，我們剖析下這些操作的源代碼實現。

2.1 時間轉換操作

2.1.1 毫秒轉換成Tick

函數UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)把輸入參數毫秒數UINT32 millisec可以轉化為Tick數目。代碼中OS_SYS_MS_PER_SECOND，即1秒等于1000毫秒。時間轉換也比較簡單，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，計算出Tick數目的結果值并返回。

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轉化為毫秒

函數UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 tick)把輸入參數Tick數目轉換為毫秒數。時間轉換也比較簡單，ticks數目除以每秒多少Tick數值LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND，計算出多少秒，然后轉換成毫秒，計算出結果值并返回。

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數目轉化為毫秒

介紹轉換函數之前，先看下一個CpuTick結構體，結構體比較簡單，就2個成員，分別表示一個UINT64類型數據的高、低32位數值。

typedef struct tagCpuTick { 
    UINT32 cntHi; /* < 一個64位數值的高32位 */ 
    UINT32 cntLo; /* < 一個64位數值的低32位 */ 
} CpuTick;

繼續看轉換函數OsCpuTick2MS()，它可以把CpuTick類型表示的cycle數目轉換為對應的毫秒數，輸出毫秒數據的高、低32位數值。看下具體的代碼，⑴處校驗參數是否為空指針，⑵處檢查系統時鐘是否配置。⑶處把CpuTick結構體表示的cycle數目轉化為UINT64類型數據。⑷處進行數值計算，(DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_MS_PER_SECOND得到每毫秒多少個cycle數，然后和tmpCpuTick做除法運算，得到cycle數目對應的毫秒數目。⑸處把DOUBLE類型轉換為UINT64類型，然后執行⑹，分別把結果數值的高、低64位賦值給*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; 
⑷  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數目轉化為微秒

轉換函數OsCpuTick2US()，它可以把CpuTick類型表示的cycle數目轉換為對應的毫秒數，輸出毫秒數據的高、低32位數值。該函數和OsCpuTick2MS()類似，自行閱讀即可。

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 時間統計操作

2.2.1 獲取每個Tick等于多少Cycle數

函數UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)計算1個tick等于多少cycle。g_sysClock系統時鐘表示1秒多少cycle，LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND一秒多少tick，相除計算出1 tick多少cycle數，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 獲取自系統啟動以來的Tick數

UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)函數計算自系統啟動以來的Tick中斷的次數。需要注意，在關中斷的情況下不進行計數，不能作為準確時間使用。每次Tick中斷發生時，在函數VOID OsTickHandler(VOID)中會更新g_ullTickCount數據。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT64 LOS_TickCountGet(VOID) 
{ 
    return g_ullTickCount; 
}

2.2.3 獲取系統時鐘

UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)函數獲取配置的系統時鐘。

UINT32 LOS_SysClockGet(VOID) 
{ 
    return g_sysClock; 
}

2.2.4 獲取系統啟動以來的Cycle數

函數VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo)定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c中，該函數獲取系統啟動以來的Cycle數。返回結果按高、低32位的無符號數值UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo分別返回。

我們看下該函數的源碼。先關中斷，然后⑴處獲取啟動啟動以來的Tick數目。⑵處通過讀取當前值寄存器SysTick Current Value Register，獲取hwCycle。⑶處表示中斷控制和狀態寄存器Interrupt Control and State Register的第TICK_CHECK位為1時，表示掛起systick中斷，tick沒有計數，需要加1校準。⑷處根據swTick、g_cyclesPerTick和hwCycle計算出自系統啟動以來的Cycle數。⑸處獲取Cycle數的高、低32位的無符號數值，然后開中斷、返回。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo) 
{ 
    UINT64 swTick; 
    UINT64 cycle; 
    UINT32 hwCycle; 
    UINTPTR intSave; 
 
    intSave = LOS_IntLock(); 
 
⑴  swTick = g_ullTickCount; 
⑵  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; 
}

小結

本文帶領大家一起剖析了鴻蒙輕內核的時間管理模塊的源代碼。時間管理模塊為任務調度提供必要的時鐘節拍，會向應用程序提供所有和時間有關的服務，如時間轉換、統計、延遲功能。后續也會陸續推出更多的分享文章，敬請期待，為了更容易找到鴻蒙輕內核代碼倉，建議訪問 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ，謝謝。

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