一、概述

在嵌入式系统开发中，定时器是实现任务调度、精确延时等功能的核心组件。Arch Timer 作为基于 Timer Driver 实现的间隔定时器，在系统调度中扮演着重要角色。本文将全面介绍 Arch Timer 驱动框架，从基本概念到实际应用，帮助开发者快速掌握其使用与开发技巧。

二、认识 Arch Timer

1. 什么是 Arch Timer

Arch Timer 是基于 Timer Driver 实现的间隔定时器，为操作系统的 sched 模块提供了丰富的 timer 接口。它支持两种工作模式，以满足不同场景的需求：

• Tickless 模式：允许更灵活高效的系统调度，无周期性时钟中断，系统在无任务执行时进入空闲模式，有效降低功耗。
• Tick 模式：提供固定时间间隔的调度机制，按照配置的固定周期运行，保证周期性任务的稳定执行。

Arch timer 在系统中的位置框架如下图所示：

2. Arch Timer 的驱动框架

Arch Timer 的驱动框架分为 upper - half 和 lower - half 两部分：

• upper - half 部分：由 openvela 提供，其中 up_timer_initialize 接口需由芯片厂商实现。
• lower - half 部分：需芯片厂商进行适配，实现硬件级别的控制。

应用程序可通过标准的 POSIX API 接口或 ioctl 接口，调用这两部分的接口来完成相应功能。

三、Arch Timer 接口详解

sched 模块依赖于 arch 模块提供的定时器接口，这些接口定义在 /include/nuttx/arch.h 头文件中。在 Tickless 模式下，接口按时间单位分为基于微秒（us）和基于计时单元（tick）的两组，开发者可通过配置选项 CONFIG_SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT 选择启用哪一组。默认支持 tick 接口以确保运行效率，部分主要接口如下：

Arch Timer 接口说明

接口名称	功能描述
up_timer_set_lowerhalf	初始化 Arch Timer 定时器，设置一个 timer_lowerhalf_s 实例，并启动定时器
up_timer_tick_start	启动定时器，仅在 Tickless 模式下使用，参数为超时时间（单位：tick）
up_timer_tick_cancel	停止 Arch Timer 定时器，仅在 Tickless 模式中使用，返回当前剩余 tick 数
up_timer_getmask	获取定时器支持的时间掩码（mask）的值
up_timer_gettick	获取定时器当前已经经过的 tick 数值
up_udelay	实现以微秒（us）为单位的延时操作
up_mdelay	实现以毫秒（ms）为单位的延时操作

四、Timer Driver 深入了解

1. 配置说明

启用和调整 Timer Driver 功能需配置三个关键选项：

CONFIG_TIMER：启用 Timer Driver 功能。
CONFIG_TIMER_ARCH：启用 arch timer 模块。
CONFIG_SCHED_TICKLESS：启用 Tickless 模式。

相关配置文件路径如下：

sched/Kconfig：包含 SCHED_TICKLESS 等相关配置。

# sched/Kconfig
config SCHED_TICKLESS
    depends on ARCH_HAVE_TICKLESS

config SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT
config SCHED_TICKLESS_LIMIT_MAX_SLEEP

drivers/timers/Kconfig：包含 TIMER 和 TIMER_ARCH 等配置。

# drivers/timers/Kconfig
config TIMER
......
if TIMER
config TIMER_ARCH
        select ARCH_HAVE_TICKLESS
        select ARCH_HAVE_TIMEKEEPING
        select SCHED_TICKLESS_LIMIT_MAX_SLEEP  if SCHED_TICKLESS
        select SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT  if SCHED_TICKLESS
#endif

可通过以下命令检查配置是否正确：

grep -rE "CONFIG_TIMER|CONFIG_TIMER_ARCH|CONFIG_ARCH_HAVE_TICKLESS|CONFIG_ARCH_HAVE_TIMEKEEPING|CONFIG_SCHED_TICKLESS_TICK_ARGUMENT|CONFIG_SCHED_TICKLESS_LIMIT_MAX_SLEEP" nuttx/.config

2. 初始化

在 board 初始化过程中，需调用具体厂商实现的 ***_timer_initialize 函数，完成分配并初始化 struct timer_lowerhalf_s 结构实例、注册 Timer 驱动等操作，注册后会生成 /dev/timer 设备节点，并绑定相关结构实例。

/****************************************************************************
 * Name: timer_register
 *
 * Description:
 *   This function binds an instance of a "lower half" timer driver with the
 *   "upper half" timer device and registers that device so that can be used
 *   by application code.
 *
 *   When this function is called, the "lower half" driver should be in the
 *   disabled state (as if the stop() method had already been called).
 *
 *   NOTE:  Normally, this function would not be called by application code.
 *   Rather it is called indirectly through the architecture-specific
 *   initialization.
 *
 * Input Parameters:
 *   dev path - The full path to the driver to be registered in the NuttX
 *     pseudo-filesystem.  The recommended convention is to name all timer
 *     drivers as "/dev/timer0", "/dev/timer1", etc.  where the driver
 *     path differs only in the "minor" number at the end of the device name.
 *   lower - A pointer to an instance of lower half timer driver.  This
 *     instance is bound to the timer driver and must persists as long as
 *     the driver persists.
 *
 * Returned Value:
 *   On success, a non-NULL handle is returned to the caller.  In the event
 *   of any failure, a NULL value is returned.
 *
 ****************************************************************************/

FAR void *timer_register(FAR const char *path,
                         FAR struct timer_lowerhalf_s *lower);

3. 上下层接口

• upper - half 接口：主要供 sched 调用，根据配置可选择以 struct timespec 或 tick 为单位的接口，减少时间转换工作。

• lower - half 接口：通过 struct timer_ops_s 提供标准化接口，供 upper - half、ioctl 系统调用等使用，按时间单位分为两组，开发者可根据需求选择实现，未实现的接口有默认实现。

struct timer_ops_s
{
  /* Required methods *******************************************************/
  CODE int (*start)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower);
  CODE int (*stop)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower);
  CODE int (*getstatus)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                        FAR struct timer_status_s *status);
  CODE int (*settimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                         uint32_t timeout);
  CODE void (*setcallback)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                           CODE tccb_t callback, FAR void *arg);
  CODE int (*maxtimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                         FAR uint32_t *maxtimeout);
  CODE int (*ioctl)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower, int cmd,
                  unsigned long arg);
  CODE int (*tick_getstatus)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                             FAR struct timer_status_s *status);
  CODE int (*tick_setttimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                               uint32_t timeout);
  CODE int (*tick_maxtimeout)(FAR struct timer_lowerhalf_s *lower,
                              FAR uint32_t *maxtimeout);
};

五、调用流程解析

1. Tickless 模式

• 模式概述：sched 动态管理软件定时器，选择最短时长的定时器作为下一次超时时间，动态调用启动或停止函数。
• 调用流程：初始化定时器后，sched 计算超时时间，配置并启动定时器，超时后触发回调函数通知 sched，随后重新分配时长并启动下一个定时器或任务。

以下为 Tickless 模式下的调用流程图：

2. Tick 模式

• 模式概述：sched 启用固定时间间隔的周期性定时器，间隔由 CONFIG_USEC_PER_TICK 配置，系统初始化时启动，无需频繁调用启动和停止接口。
• 流程描述：初始化时启动周期性定时器，按固定周期触发事件，触发调度器调度，保证周期性任务执行。

六、驱动适配实例

以 nrf52（基于 ARMv7 - M 架构）为例，驱动适配主要包括两部分：

1. 实现 up_timer_initialize 接口

在平台特定代码中实现该接口，调用 timer_register 函数注册定时器驱动，生成设备节点。初始化调用流程如下：

nx_start
-> clock_initialize
   -> up_timer_initialize      #开发者实现
      -> systick_initialize    #开发者实现
         -> timer_register
      -> up_timer_set_lowerhalf

以下为 systick_initialize 的实现参考：

struct timer_lowerhalf_s *systick_initialize(bool coreclk,
                                             unsigned int freq, int minor)
{
  struct systick_lowerhalf_s *lower =
    (struct systick_lowerhalf_s *)&g_systick_lower;

  ...

  /* Register the timer driver if need */

  if (minor >= 0)
    {
      char devname[32];

      sprintf(devname, "/dev/timer%d", minor);
      timer_register(devname, (struct timer_lowerhalf_s *)lower);
    }

  return (struct timer_lowerhalf_s *)lower;
}

2. 实现 lower - half 接口

通过定义 struct timer_ops_s 结构的实例，实现其中的方法，如 start、stop 等，以控制硬件运行。

在 ARMv7-M 的 Arch Timer 适配中，lower-half 方法的出现形式如下：

文件路径： arch/arm/src/armv7-m/arm_systick.c

/* "Lower half" driver methods */
static const struct timer_ops_s g_systick_ops =
{
  .start       = systick_start,
  .stop        = systick_stop,
  .getstatus   = systick_getstatus,
  .settimeout  = systick_settimeout,
  .setcallback = systick_setcallback,
  .maxtimeout  = systick_maxtimeout,
};

七、POSIX API 与测试实例

1. POSIX API

包括 timer_create、timer_delete、timer_settime 等接口，用于创建、删除、配置定时器等操作。

1. timer_create

/*
* 函数：timer_create
* 参数：clockid，定时类型；evp,sigevent结构体，用来指定定时器到期时如何相应
*       timerid，返回一个timerid
* 返回：0 success | -1 error
* 说明：创建一个定时器
*/
int timer_create(clockid_t clockid, FAR struct sigevent *evp,
                FAR timer_t *timerid);

2. timer_delete

/*
* 函数：timer_delete
* 参数：timerid，执行timer_create返回的timerid
* 返回：0 success | -1 error
* 说明：删除一个定时器
*/
int timer_delete(timer_t timerid);

3. timer_settime

/* 设置定时器
* 函数：timer_settime
* 参数：timerid：id
*      flags：相对时间/绝对时间
*      value：定时时间和间隔
*      ovalue：若不为NULL，则返回上次定时的剩余到期时间 
* 返回：0 success | -1 error
* 说明：设置定时
*/
int timer_settime(timer_t timerid, int flags,
                FAR const struct itimerspec *value,
                FAR struct itimerspec *ovalue);

2. IOCTL 接口

应用级别的程序可以通过 ioctl 函数直接操作定时器（前提是在 bringup 过程中已注册 /dev/timer 设备节点）。

支持的 IOCTL 命令

IOCTL 命令	功能描述	参数类型	参数说明
TCIOC_START	启动定时器	无	无
TCIOC_STOP	停止定时器	无	无
TCIOC_GETSTATUS	获取当前定时器的状态	struct timer_status_s*	用于存储定时器状态信息的结构体指针
TCIOC_SETTIMEOUT	设置定时器间隔时间（单位：微秒）	32位无符号整数	定时器的间隔时间值
TCIOC_NOTIFICATION	设置定时器超时消息	struct timer_notify_s*	包含超时通知配置的结构体指针
TCIOC_MAXTIMEOUT	获取定时器支持的最大时延（单位：微秒）	uint32_t*	用于存储最大时延值的指针

3. 测试实例

1. TIMER API 测试：通过 cmocka 测试框架验证 POSIX API 的工作，包括创建、配置、以及删除定时器的全过程。

此部分介绍如何测试定时器相关功能，通过 cmocka 测试框架（可参考文档：openvela之开发自测试框架cmocka进行cmocka相关配置）验证 POSIX API 的工作，包括创建、配置、以及删除定时器的全过程。

• 代码位置：apps/testing/drivertest/drivertest_posix_timer.c
• 测试框架：cmocka
• 依赖配置：
  • TESTING_CMOCKA
  • TESTING_DRIVER_TEST
  • CONFIG_SIG_EVTHREAD

• 运行步骤：

1. 启用上述配置，并构建固件。
2. 在 NuttShell（NSH）中运行以下命令：

nsh> cmocka_posix_timer

2. IOCTL 测试：通过 IOCTL 命令控制定时器设备，测试启动、停止、设置间隔等功能。

• 代码路径：apps/testing/drivertest/drivertest_timer.c
• 测试框架：cmocka
• 依赖配置：
  • TESTING_CMOCKA
  • TESTING_DRIVER_TEST

• 测试步骤：

1. 启用依赖配置，并构建功能完整的固件。
2. 在 NuttShell（NSH）中运行以下命令：

nsh> cmocka_driver_timer

总结

Arch Timer 驱动框架为嵌入式系统提供了灵活高效的定时器解决方案，支持两种工作模式，满足不同调度需求。通过本文的介绍，相信开发者对其原理、接口、配置和应用有了全面的了解，能够根据实际需求进行开发和适配，充分发挥其在系统调度中的作用。