踩准时钟节拍、玩转时间转换，鸿蒙轻内核时间管理有妙招
作者：互联网
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
#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();
#endif
⑷ OsTaskScan(); // 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;
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 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();
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。
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