Вся правда об ОСРВ. Статья #27. Системное время

Понятие времени в контексте ОСРВ была введена в одной из предыдущих статей, вместе с идеей о связанных со временем функциях, доступных в ОСРВ.

Тик таймера

Все функции, связанные со временем, управляются аппаратными часами. Это простой осциллятор, который генерирует запросы на прерывание с постоянными интервалами. Чтобы номера тактов имели смысл для прикладных программ, частота генератора должна быть известна.

Обработки таймерных прерываний

Прерывания, генерируемые аппаратным таймером, должны обслуживаться определенным образом в обработчике прерываний (англ. Interrupt Service Routine, ISR), в котором реализованы все функции ОСРВ, связанные со временем. Детали обработчика прерываний таймера в Nucleus SE будут рассмотрены в одной из следующих статей.

Функции, связанные со временем

Nucleus RTOS и Nucleus SE содержат несколько механизмов, связанных со временем:

• Часы системных тиков (Tick clock): простой счетчик, который увеличивается с помощью обработчика прерываний таймера. Как в Nucleus RTOS, так и в Nucleus SE разрядность счетчика 32 бита, и у задач существуют механизмы для чтения и записи его значения. В Nucleus SE тактовый таймер опционален.
• Программные таймеры (Application timers): как Nucleus RTOS, так и Nucleus SE поддерживают объекты таймеров. Их использование и реализация в Nucleus SE будет рассмотрена подробнее в следующей статье.
• Планирование квантования времени (Time slice scheduling): в Nucleus RTOS задачи с одинаковым приоритетом обслуживаются по алгоритму Round-robin, но кроме этого можно использовать квантование времени. В Nucleus SE планировщик квантования времени является опциональным; это было подробно рассмотрено в предыдущих статьях (общее представление планировщика TS (Time slice) и о TS в Nucleus SE).
• Приостановка задачи (Task sleep): Задача может приостановить себя («заснуть») на фиксированный период времени. Этот механизм уже был подробно описан ранее .
• Таймауты вызовов API (API call timeouts): как в Nucleus RTOS, так и в Nucleus SE некоторые вызовы API позволяют приостанавливать задачу в ожидании доступности ресурса. Приостановка может быть неопределенной, либо, в случае Nucleus RTOS, может быть указан опциональный период таймаута (период ожидания). В Nucleus SE таймауты вызовов API не поддерживаются.

Точность

А сейчас стоит вкратце рассказать о точности системного таймера.

Точность временных функций напрямую зависит от частоты тактового генератора. Например, если импульсы поступают каждые 10 миллисекунд, а задаче приложения необходима задержка в 100 миллисекунд, ей очевидно нужно 10 импульсов. Однако неизвестно, когда был получен предыдущий импульс: это могло произойти только что или почти 10 миллисекунд назад. Поэтому 100-миллисекундная задержка может занять вплоть до 110 миллисекунд.

Очевидный способ решения этой проблемы — повышение частоты генератора. Если импульсы следуют с интервалами в 1 миллисекунду, 100-миллисекундная задержка никогда не займет больше ста одной миллисекунды. Недостатком такого решения будет то, что обработчика прерываний таймера заберет в 10 раз больше процессорного времени, что будет чрезмерным. Разработчик системы должен найти баланс между необходимой точностью таймера и доступными мощностями процессора.

Настройка системного времени

Как и для большинства объектов Nucleus SE, настройка системного времени по большей части управляется директивами #define в файле nuse_config.h. Основным параметром является NUSE_SYSTEM_TIME_SUPPORT, который активирует механизм поддержки системного времени. Количество объектов указывать не нужно: системное время либо активировано, либо нет.

Выбор ненулевого значения является главным активатором системного времени. Этот параметр используется при определении структур данных, о которых будет подробно рассказано далее в этой статье. Кроме того, ненулевое значение активирует настройки API.

Активация API

Каждая функция API (служебный вызов) в Nucleus SE имеет активирующую директиву #define в файле nuse_config.h. Для системного времени такими символами являются:
NUSE_CLOCK_SET
NUSE_CLOCK_RETRIEVE

По умолчанию, им присваивается значение FALSE, таким образом все служебные вызовы отключены, блокируя включение реализующего их кода. Для настройки системного времени в приложении нужно выбрать необходимые служебные вызовы API и присвоить им значение TRUE.

Ниже приведен фрагмент кода из файла nuse_config.h по умолчанию.

#define NUSE_SYSTEM_TIME_SUPPORT FALSE   /* активирует системное время */
#define NUSE_CLOCK_SET        FALSE    /* активатор служебного вызова*/
#define NUSE_CLOCK_RETRIEVE   FALSE   /* активатор служебного вызова */

При попытке использования служебного вызова API системного времени при выключенном активаторе системного времени произойдет ошибка компиляции. Если ваш код использует вызов API, который не был активирован, произойдет ошибка компоновки, так как код реализации не был включен в приложение.

Служебные вызовы системного времени

Nucleus RTOS поддерживает два служебных вызова, которые относятся к системному времени и обеспечивают следующий функционал:

• Установка значения системного времени. В Nucleus SE реализовано в функции NUSE_Clock_Set().
• Получение значения системного времени. В Nucleus SE реализовано в функции NUSE_Clock_Retrieve().

Рассмотрим реализацию каждого из этих вызовов подробнее.

Служебные вызовы установки и получения системного времени

С системным временем можно выполнять только операции установки в заданное значение и получения текущего значения. Nucleus RTOS и Nucleus SE предоставляют по два базовых вызова API для реализации этих операций.

Интерпретация значения системного времени зависит от приложения, так как является по своей сути счетчиком количества «тактов» часов, которые произошли с момента последнего сброса счетчика. Для использования этой информации должна быть известна частота генератора.

Установка времени

Любая задача может установить системное время при помощи вызова этой функции API.

Вызов для установки системного времени в Nucleus RTOS

Прототип служебного вызова:
VOID NU_Set_Clock(UNSIGNED new_value);

Параметры:
new_value – значение, которое будет присвоено системному времени

Возвращаемое значение: отсутствует.

Вызов для установки системного времени в Nucleus SE
Этот вызов API поддерживает основной функционал Nucleus RTOS API.

Прототип служебного вызова:
void NUSE_Clock_Set(U32 new_value);

Параметры:
new_value – значение, которое будет присвоено системному времени

Возвращаемое значение: отсутствует

Реализация установки времени в Nucleus SE
Код очень прост. Предоставленное значение записывается в NUSE_Tick_Clock внутри критической секции.

Получение системного времени

Задача может получить значение системного времени при помощи этой функции API.

Вызов для получения системного времени в Nucleus RTOS

Прототип служебного вызова:
UNSIGNED NU_Retrieve_Clock(VOID);

Параметры: Отсутствуют

Возвращаемое значение: текущее значение системного времени

Вызов для получения системного времени в Nucleus SE
Прототип служебного вызова:
U32 NUSE_Clock_Retrieve(void);

Параметры: Отсутствуют

Возвращаемое значение: текущее значение системного времени

Реализация получения времени в Nucleus SE
Код очень прост. Функция возвращает значение NUSE_Tick_Clock, полученное в критической секции.

Структуры данных

Системное время использует одну структуру данных (находящуюся в ОЗУ), которая представляет из себя 32-битное слово.

Настоятельно рекомендую, чтобы код приложения не использовал прямой доступ к этой структуре данных, а обращался к ней через предоставляемые функции API. Это позволит избежать несовместимости с будущими версиями Nucleus SE и нежелательных побочных эффектов, а также упростит портирование приложений на Nucleus RTOS. Подробная информация о структурах данных приведена ниже, чтобы упростить понимание работы кода служебных вызовов и для отладки.

Данные ОЗУ

Структура данных:
NUSE_Tick_Clock – переменная типа U32, в которой хранится счетчик тактов системного времени.

Эта структура данных инициализируется нулём функцией NUSE_Init_Task() при запуске Nucleus SE. Одна из следующих статей будет содержать полное описание процедур запуска Nucleus SE.

Данные ПЗУ

В ПЗУ нет структур данных, связанных с системным временем.

Объем памяти для системного времени

Как и у всех других объектов Nucleus SE, объем памяти, необходимый для системного времени, предсказуем.

Объем памяти в ПЗУ равен 0.

Объем памяти в ОЗУ (в байтах) всегда равен 4.

Нереализованные вызовы API

Все служебные вызовы API Nucleus RTOS, относящиеся к системному времени, имеют эквивалент в Nucleus SE.

Совместимость с Nucleus PLUS

Как и в случае со всеми другими объектами Nucleus SE, моей целью было обеспечение максимально возможной совместимости кода приложений с Nucleus RTOS. Системное время не является исключением и, с точки зрения пользователя, оно реализовано во многом также, как и в Nucleus RTOS. Вызовы API Nucleus RTOS могут быть напрямую перенесены на Nucleus SE.

В следующей статье мы рассмотрим программные таймеры.