zephyr笔记 2.2.1 内核时钟

1 前言

我正在学习 Zephyr，一个很可能会用到很多物联网设备上的操作系统，如果你也感兴趣，可点此查看帖子zephyr学习笔记汇总。

2 概念

内核支持两个不同的时钟。

• 32位硬件时钟是一个高精度计数器，可以跟踪若干个周期时间，但这个周期不能指定单位。一个周期的持续时间取决于内核使用的电路板硬件，通常以纳秒为单位进行测量。
• 64位系统时钟是一个计数器，用于跟踪自内核初始化以来已经过的tick数。tick的持续时间是可配置的，通常范围从1毫秒到100毫秒。

内核还提供了许多变量，可用于将时钟使用的时间单位转换为标准时间单位（例如秒，毫秒，纳秒等），并在两种时钟时间单位之间进行转换。

大多数内核基于时间的服务都使用系统时钟，包括内核计时器对象和其他内核对象类型支持的超时。 为方便起见，内核的API允许以毫秒为单位指定持续时间，并自动将它们转换为相应的tick数。

硬件时钟可用于高精度的测量事务，因为它比内核系统时钟的精度更高。

2.1 时钟限制

系统时钟的tick计数来自硬件时钟的周期计数。内核计算出tick频率需要多少个硬件时钟周期，然后编程在多个硬件时钟周期后产生中断; 每个中断对应于一个tick。

注意：配置较小的时间间隔允许更细粒度的时序，但也会增加内核处理时钟中断所需的工作量，因为它们会更频繁地发生。 将滴答持续时间设置为零将禁用内核时钟及其相关服务。

使用内核API进行任何毫秒级别间隔的请求，都将发生最小延迟，实际上可能会比所请求的时间长的时间。

例如，当占用信号量时，要进行100 ms的占用请求，意味着内核不会在 100 ms过去之前终止操作以及报告故障。 但是，操作可能需要超过100毫秒才能完成，并且可能在附加时间内成功完成或者失败。

内核对象操作期间会产生附件时间，发生的附加时间量取决于以下因素。

• 从毫秒转换为tick时，通过四舍五入指定的时间间隔引入附加时间。 例如，如果使用10毫秒的时间间隔，则25毫秒的指定延迟将四舍五入至30毫秒。
• 延迟时，只有等到下一个有效中断到来时才能开始进行有效地追踪，这样便引入了延迟。例如，如果正在使用 10 ms 的tick间隔，则 20 ms 的指定延迟要求内核等待3个时间片发生（而不是仅仅发生2个时间片），因为第一个tick可能发生在 0-10 ms之间，只有等第一个tick发生后，内核才能知道接下来的2个 tick 消耗 20ms。

3 操作

3.1 用正常精度测量时间

此代码使用系统时钟来确定两个时间点之间经过的时间。

s64_t time_stamp;
s64_t milliseconds_spent;

/* capture initial time stamp */
time_stamp = k_uptime_get();

/* do work for some (extended) period of time */
...

/* compute how long the work took (also updates the time stamp) */
milliseconds_spent = k_uptime_delta(&time_stamp);

3.2 高精度测量时间

此代码使用硬件时钟来确定两个时间点之间经过的时间。

u32_t start_time;
u32_t stop_time;
u32_t cycles_spent;
u32_t nanoseconds_spent;

/* capture initial time stamp */
start_time = k_cycle_get_32();

/* do work for some (short) period of time */
...

/* capture final time stamp */
stop_time = k_cycle_get_32();

/* compute how long the work took (assumes no counter rollover) */
cycles_spent = stop_time - start_time;
nanoseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);

4 建议用法

使用基于系统时钟的服务进行基于时间的处理，不需要高精度，如定时器对象或线程睡眠。

使用基于硬件时钟的服务进行基于时间的处理，这需要比系统时钟提供的精度更高的精度，例如忙等待)或细粒度时间测量。

注意：硬件时钟的高频率与32位数的大小紧密相关，意味着在进行长时间高精度测量时必须考虑计数器翻转的情况。

5 配置选项

CONFIG_SYS_CLOCK_TICKS_PER_SEC

6 API

下列时钟API，都在 kernel.h 中提供了：

k_uptime_get()
k_uptime_get_32()
k_uptime_delta()
k_uptime_delta_32()
k_cycle_get_32()
SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS
K_NO_WAIT
K_MSEC
K_SECONDS
K_MINUTES
K_HOURS
K_FOREVER

End