鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列五-時(shí)間管理
51CTO和華為官方合作共建的鴻蒙技術(shù)社區(qū)
在鴻蒙輕內(nèi)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(xù)分析Tick和時(shí)間相關(guān)的源碼，給讀者介紹鴻蒙輕內(nèi)核的時(shí)間管理模塊。
時(shí)間管理模塊以系統(tǒng)時(shí)鐘為基礎(chǔ)，可以分為2部分，一部分是SysTick中斷，為任務(wù)調(diào)度提供必要的時(shí)鐘節(jié)拍;另外一部分是，給應(yīng)用程序提供所有和時(shí)間有關(guān)的服務(wù)，如時(shí)間轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)功能。
系統(tǒng)時(shí)鐘是由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖觸發(fā)中斷產(chǎn)生的，一般定義為整數(shù)或長整數(shù)。輸出脈沖的周期叫做一個(gè)“時(shí)鐘滴答”，也稱為時(shí)標(biāo)或者Tick。Tick是操作系統(tǒng)的基本時(shí)間單位，由用戶配置的每秒Tick數(shù)決定。如果用戶配置每秒的Tick數(shù)目為1000，則1個(gè)Tick等于1ms的時(shí)長。另外一個(gè)計(jì)時(shí)單位是Cycle，這是系統(tǒng)最小的計(jì)時(shí)單位。Cycle的時(shí)長由系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率決定，系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率就是每秒鐘的Cycle數(shù)，對于216 MHz的CPU，1秒產(chǎn)生216000000個(gè)cycles。
用戶以秒、毫秒為單位計(jì)時(shí)，而操作系統(tǒng)以Tick為單位計(jì)時(shí)，當(dāng)用戶需要對系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，例如任務(wù)掛起、延時(shí)等，此時(shí)可以使用時(shí)間管理模塊對Tick和秒/毫秒進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
下面，我們剖析下時(shí)間管理模塊的源代碼，若涉及開發(fā)板部分，以開發(fā)板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\為例進(jìn)行源碼分析。
1、時(shí)間管理初始化和啟動
我們先看下時(shí)間管理模塊的相關(guān)配置，然后再剖析如何初始化，如何啟動。
1.1 時(shí)間管理相關(guān)的配置
時(shí)間管理模塊涉及3個(gè)配置項(xiàng)，系統(tǒng)時(shí)鐘OS_SYS_CLOCK、每秒Tick數(shù)目LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND兩個(gè)配置選項(xiàng)，還有宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME。LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME默認(rèn)關(guān)閉，開啟時(shí)，需要提供定制函數(shù)VOID platform_tick_handler(VOID)，在Tick中斷處理函數(shù)中執(zhí)行定制操作。這些配置項(xiàng)在模板開發(fā)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(shí)間管理初始化和啟動
函數(shù)INT32 main(VOID)會調(diào)用kernel\src\los_init.c中的函數(shù)UINT32 LOS_Start(VOID)啟動系統(tǒng)，該函數(shù)會調(diào)用啟動調(diào)度函數(shù)UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)。源碼如下：
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_Start(VOID)
- {
- return HalStartSchedule(OsTickHandler);
- }
函數(shù)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(shù)參數(shù)為Tick中斷處理函數(shù)OsTickHandler()，后文會分析該tick中斷處理函數(shù)。⑴處代碼繼續(xù)調(diào)用函數(shù)進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)HalTickStart(handler)來設(shè)置Tick中斷啟動。⑵處會調(diào)用匯編函數(shù)HalStartToRun開始運(yùn)行系統(tǒng)，后續(xù)任務(wù)調(diào)度系列再詳細(xì)分析該匯編函數(shù)。
- 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(shù)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(shù)的代碼實(shí)現(xiàn)。⑴處校驗(yàn)下時(shí)間管理模塊的配置項(xiàng)的合法性。在開啟宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT時(shí)，會使用系統(tǒng)定義的中斷。會執(zhí)行⑵處的代碼，調(diào)用定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c中的函數(shù)OsSetVector()設(shè)置中斷向量，該函數(shù)在中斷系列會詳細(xì)分析。⑶處設(shè)置全局變量g_sysClock為系統(tǒng)時(shí)鐘，g_cyclesPerTick為每tick對應(yīng)的cycle數(shù)目，g_ullTickCount初始化為0，表示系統(tǒng)tick中斷發(fā)生次數(shù)。⑷處調(diào)用定義在targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\Drivers\CMSIS\Include\core_cm7.h文件中的內(nèi)聯(lián)函數(shù)uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)，初始化、啟動系統(tǒng)定時(shí)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(shù)OsTickHandler()
文件kernel\src\los_tick.c定義的函數(shù)VOID OsTickHandler(VOID)，是時(shí)間管理模塊中執(zhí)行最頻繁的函數(shù)，每當(dāng)Tick中斷發(fā)生時(shí)就會調(diào)用該函數(shù)。我們分析下該函數(shù)的源碼，⑴處如果開啟宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME，會調(diào)用定制的tick處理函數(shù)platform_tick_handler()，默認(rèn)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(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的時(shí)間片，在后續(xù)任務(wù)模塊會詳細(xì)分析下函數(shù)OsTimesliceCheck()。⑷處會遍歷任務(wù)的排序鏈表，檢查是否有超時(shí)的任務(wù)。⑸處如果支持定時(shí)器特性，會檢查定時(shí)器是否超時(shí)。
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(nèi)核時(shí)間管理常用操作
時(shí)間管理提供下面幾種功能，時(shí)間轉(zhuǎn)換、時(shí)間統(tǒng)計(jì)等，這些函數(shù)定義在文件kernel\src\los_tick.c，我們剖析下這些操作的源代碼實(shí)現(xiàn)。
2.1 時(shí)間轉(zhuǎn)換操作
2.1.1 毫秒轉(zhuǎn)換成Tick
函數(shù)UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)把輸入?yún)?shù)毫秒數(shù)UINT32 millisec可以轉(zhuǎn)化為Tick數(shù)目。代碼中OS_SYS_MS_PER_SECOND，即1秒等于1000毫秒。時(shí)間轉(zhuǎn)換也比較簡單，知道一秒多少Tick，除以O(shè)S_SYS_MS_PER_SECOND，得出1毫秒多少Tick，然后乘以millisec，計(jì)算出Tick數(shù)目的結(jié)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(zhuǎn)化為毫秒
函數(shù)UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 tick)把輸入?yún)?shù)Tick數(shù)目轉(zhuǎn)換為毫秒數(shù)。時(shí)間轉(zhuǎn)換也比較簡單，ticks數(shù)目除以每秒多少Tick數(shù)值LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND，計(jì)算出多少秒，然后轉(zhuǎn)換成毫秒，計(jì)算出結(jié)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(shù)目轉(zhuǎn)化為毫秒
介紹轉(zhuǎn)換函數(shù)之前，先看下一個(gè)CpuTick結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體比較簡單，就2個(gè)成員，分別表示一個(gè)UINT64類型數(shù)據(jù)的高、低32位數(shù)值。
- typedef struct tagCpuTick {
- UINT32 cntHi; /* < 一個(gè)64位數(shù)值的高32位 */
- UINT32 cntLo; /* < 一個(gè)64位數(shù)值的低32位 */
- } CpuTick;
繼續(xù)看轉(zhuǎn)換函數(shù)OsCpuTick2MS()，它可以把CpuTick類型表示的cycle數(shù)目轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的毫秒數(shù)，輸出毫秒數(shù)據(jù)的高、低32位數(shù)值?？聪戮唧w的代碼，⑴處校驗(yàn)參數(shù)是否為空指針，⑵處檢查系統(tǒng)時(shí)鐘是否配置。⑶處把CpuTick結(jié)構(gòu)體表示的cycle數(shù)目轉(zhuǎn)化為UINT64類型數(shù)據(jù)。⑷處進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，(DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_MS_PER_SECOND得到每毫秒多少個(gè)cycle數(shù)，然后和tmpCpuTick做除法運(yùn)算，得到cycle數(shù)目對應(yīng)的毫秒數(shù)目。⑸處把DOUBLE類型轉(zhuǎn)換為UINT64類型，然后執(zhí)行⑹，分別把結(jié)果數(shù)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(shù)目轉(zhuǎn)化為微秒
轉(zhuǎn)換函數(shù)OsCpuTick2US()，它可以把CpuTick類型表示的cycle數(shù)目轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的毫秒數(shù)，輸出毫秒數(shù)據(jù)的高、低32位數(shù)值。該函數(shù)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(shí)間統(tǒng)計(jì)操作
2.2.1 獲取每個(gè)Tick等于多少Cycle數(shù)
函數(shù)UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)計(jì)算1個(gè)tick等于多少cycle。g_sysClock系統(tǒng)時(shí)鐘表示1秒多少cycle，LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND一秒多少tick，相除計(jì)算出1 tick多少cycle數(shù)，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(tǒng)啟動以來的Tick數(shù)
UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)函數(shù)計(jì)算自系統(tǒng)啟動以來的Tick中斷的次數(shù)。需要注意，在關(guān)中斷的情況下不進(jìn)行計(jì)數(shù)，不能作為準(zhǔn)確時(shí)間使用。每次Tick中斷發(fā)生時(shí)，在函數(shù)VOID OsTickHandler(VOID)中會更新g_ullTickCount數(shù)據(jù)。
- LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)
- {
- return g_ullTickCount;
- }
2.2.3 獲取系統(tǒng)時(shí)鐘
UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)函數(shù)獲取配置的系統(tǒng)時(shí)鐘。
- UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)
- {
- return g_sysClock;
- }
2.2.4 獲取系統(tǒng)啟動以來的Cycle數(shù)
函數(shù)VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo)定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c中，該函數(shù)獲取系統(tǒng)啟動以來的Cycle數(shù)。返回結(jié)果按高、低32位的無符號數(shù)值UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo分別返回。
我們看下該函數(shù)的源碼。先關(guān)中斷，然后⑴處獲取啟動啟動以來的Tick數(shù)目。⑵處通過讀取當(dāng)前值寄存器SysTick Current Value Register，獲取hwCycle。⑶處表示中斷控制和狀態(tài)寄存器Interrupt Control and State Register的第TICK_CHECK位為1時(shí)，表示掛起systick中斷，tick沒有計(jì)數(shù)，需要加1校準(zhǔn)。⑷處根據(jù)swTick、g_cyclesPerTick和hwCycle計(jì)算出自系統(tǒng)啟動以來的Cycle數(shù)。⑸處獲取Cycle數(shù)的高、低32位的無符號數(shù)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(jié)
本文帶領(lǐng)大家一起剖析了鴻蒙輕內(nèi)核的時(shí)間管理模塊的源代碼。時(shí)間管理模塊為任務(wù)調(diào)度提供必要的時(shí)鐘節(jié)拍，會向應(yīng)用程序提供所有和時(shí)間有關(guān)的服務(wù)，如時(shí)間轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)、延遲功能。后續(xù)也會陸續(xù)推出更多的分享文章，敬請期待，為了更容易找到鴻蒙輕內(nèi)核代碼倉，建議訪問 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ，謝謝。
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