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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列二、嵌入式系统硬件基础知识（5）定时器和计数器

# 一、硬件定时器

从硬件角度来看，定时器（Timer）和计数器（Counter）的概念可以互换，但它们在特定应用中的使用情况有所不同。定时器的基本结构及各组件的作用与可编程间隔计时器类似。系统时间由定时器 / 计数器产生的输出脉冲触发中断而产生，输出脉冲的周期称为 “滴答”，表示发生了一次时钟中断。实时操作系统内核提供的硬件定时器管理功能包括：

初始化定时器：

• 负责设置定时器相关寄存器、滴答间隔时间，以及挂接系统时钟中断处理程序。

维持相对时间和日历时间：

• 相对时间是系统启动以来的时间，每发生一个滴答，系统的相对时间增加 1。内核可以从实时时钟获取启动时刻的日历时间。

任务有限等待的计时：

• 使用时间等待链组织需要延迟处理的对象（或任务）。例如，使用差分时间链，每产生一个滴答，链首对象的时间值减 1；当减至 0 时，链首对象被激活，并从链中移除。

时间片轮换调度的计时：

• 在时钟中断服务程序中更新当前运行任务的已执行时间。如果已执行时间等于任务的时间片，表示任务用完了分配的时间配额，需结束运行并转入就绪队列。

# 二、软件定时器

虽然硬件定时器管理已包括多种功能，实时内核仍需支持软件定时器管理功能，以便应用程序根据需要创建和使用软件定时器。

• 软件定时器在创建时由用户提供定时值；当定时值减至 0 时，触发时间服务例程。用户可在此例程中完成所需操作。
• 在中断服务处理程序中，需要对软件定时器的定时值进行减 1 操作。
• 在无硬件看门狗的情况下，软件定时器可用于实现看门狗。在系统正常运行时，确保定时器不会到期；若进入定时器服务例程，则表示系统出现错误。

# 三、可编程间隔定时器

可编程间隔定时器：(Programmable Interval Timer，PIT) 又称计数器，主要功能是事件计数和生成时间中断，以解决系统时间的控制问题。PIT 种类很多，但是它们的基本结构类似。可编程定时、计数器总体上由两部分组成：计数硬件和通信寄存器。

通信寄存器包含：

• 控制寄存器
• 状态寄存器
• 计数初始值寄存器
• 计数输出寄存器

典型的 PIT 原理如图 2-16 所示。

操作系统通过这些寄存器控制计数硬件的工作方式，并读取当前状态和计数值等信息。

在操作系统内核初始化时，内核向定时计数器写入控制字和计数初值，计数硬件会按照设定方式对输入脉冲进行计数。计数器从初始值开始，每收到一次脉冲信号，计数器减 1。当计数器减至 0 时，输出高电平或低电平（输出脉冲），然后重复计数，产生输出脉冲。

定时器产生的输出脉冲是操作系统时钟的硬件基础，接入中断控制器，定期产生时钟中断信号。操作系统利用时钟中断维护正常工作，每次时钟中断，时间计数变量增加 1。

定时器中断速率：每秒产生的中断个数，每个中断称为一个滴答（Tick），表示一个时间单位。例如，定时器速率为 1000 个滴答 / 秒，则每个滴答表示 1ms。定时器中断速率在控制寄存器中设定，取值范围与输入时钟频率有关。