1. FreeRTOS 软件定时器
1.1 简介
FreeRTOS 软件定时器是基于任务调度器实现的一种时间管理工具，可用于定时执行回调函数。它不依赖硬件资源，灵活性高，但受调度影响，精度低于硬件定时器
软件定时器与硬件定时器的主要区别如下：
| 软件定时器 | 硬件定时器 |
|---|---|
| 依赖 FreeRTOS 任务调度器 | 由 MCU 提供，独立运行 |
| 精度受任务调度影响 | 具有更高的精度 |
| 不占用硬件资源，可能增加 CPU 负载 | 需占用硬件资源，不增加 CPU 负载 |
1.2 单次定时器和周期定时器
在 FreeRTOS 中，软件定时器主要有两种类型：一次性定时器和周期性定时器。
- 一次性定时器（One-shot Timer）： 这种定时器在触发一次超时后就会停止，不再执行。适用于只需在特定时间执行一次任务或动作的场景（xAutoReload为pdFALSE 0）。
- 周期性定时器（Periodic Timer）： 这种定时器会在每个超时周期都触发一次，循环执行。适用于需要在固定的时间间隔内重复执行任务或动作的场景（xAutoReload为pdTRUE 1）。
1.3 必要宏定义
要使用软件定时器，必须 使能软件定时器功能 并 配置相关参数，FreeRTOSConfig.h文件中相关配置，如下：
/* 使能软件定时器相关 */
#define configUSE_TIMERS 1 /* 1: 启用 FreeRTOS 软件定时器功能 */
#define configTIMER_TASK_PRIORITY (configMAX_PRIORITIES - 1) /* 软件定时器任务的优先级 */
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH 5 /* 软件定时器队列长度（存放定时器事件的队列深度） */
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH (configMINIMAL_STACK_SIZE * 2) /* 定时器任务的栈大小 */
详细介绍：
configTIMER_TASK_PRIORITY该任务的优先级越高，软件定时器的回调执行越及时,但过高的优先级可能影响其他任务的执行
configTIMER_QUEUE_LENGTH由于其他优先级任务会可能会抢占软件定时器服务任务的执行，所以定义软件定时器服务队列来存储待执行的命令。软件定时器命令队列的最大长度（存放定时器操作请求，如xTimerStart()、xTimerStop()等）
configTIMER_TASK_STACK_DEPTH该任务负责 检测定时器超时，并执行定时器回调函数，需要一定的栈空间
1.4 软件定时器与定时器服务任务的关系
在学习 FreeRTOS 的软件定时器时，容易混淆 “定时器” 和 “定时器服务任务” 之间的关系。实际上，FreeRTOS 采用 单个定时器服务任务 来统一管理 所有的软件定时器。所有 xTimerCreate() 创建的软件定时器都由一个单独的定时器服务任务管理，定时器本身不是一个独立的任务。
FreeRTOS 定时器管理机制：软件定时器（xTimerCreate()）只是一个数据结构，存储了定时器的周期、回调函数等信息，并不是真正的任务，需要由定时器服务任务来管理和执行。
1.5 相关 API 函数
| API 函数 | 描述 |
|---|---|
xTimerCreate() | 动态创建一个新的软件定时器对象 |
xTimerCreateStatic() | 静态创建一个新的软件定时器对象 |
xTimerStart() | 启动定时器（从零开始计时） |
xTimerStop() | 停止定时器（不会自动重新开始） |
xTimerChangePeriod() | 修改定时器的周期 |
xTimerReset() | 重置定时器（重新开始计时） |
xTimerDelete() | 删除定时器 |
xTimerIsTimerActive() | 判断定时器是否在运行 |
pvTimerGetTimerID() | 获取定时器的 ID |
xTimerPendFunctionCall() | 将一个函数发送到定时器服务任务的执行队列中，执行一次 |
这些 API 函数中的
xTicksToWait参数含义为：调用任务在定时器服务任务队列已满的情况下，为等待队列空间空出而保持阻塞状态的时间量。
1.6 实验
- start_task：用来创建 task1 任务，并创建周期性定时器。
- 定时器1:创建 scan_keypad 函数，软件定时器周期回调执行，用来扫描键盘进行消抖。
- 定时器2：创建 timer2_callback 函数，回调执行周期为 1 秒。
- task1：用于按键状态判断，对软件定时器2进行开启、停止、修改回调周期操作；将一个函数加入定时器服务任务，执行一次。
1 ) 启动任务配置
/* 启动任务配置 */
#define TASK_START_STACK_SIZE 128
#define TASK_START_PRIORITY 1
TaskHandle_t Task_start_Handle; // 如果后续不需要操作这个任务（删除，挂起等），可以省略这句
StackType_t start_task_stack[TASK_START_STACK_SIZE];
StaticTask_t start_task_tcb;
void task_start(void *pvParameters);/* 任务1配置 */
#define TASK1_STACK_SIZE 128
#define TASK1_PRIORITY 2
TaskHandle_t Task1_Handler;
void task1(void *pvParameters);/* 软件定时器配置 */
#define TIMER_TASK_STAK_SIZE configTIMER_TASK_STACK_DEPTH
StaticTask_t timer_task_tcb;
StackType_t timer_task_stack[TIMER_TASK_STAK_SIZE];
TimerHandle_t timer1, timer2;void FreeRTOS_start()
{Task_start_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)task_start, // 任务函数指针(char *)"task_start", // 任务名称(configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK_START_STACK_SIZE, // 任务栈大小(void *)NULL, // 传递给任务函数的参数(UBaseType_t)TASK_START_PRIORITY, // 任务优先级(StackType_t *)start_task_stack, // 任务栈指针（用户手动分配）(StaticTask_t *)&start_task_tcb); // 任务控制块（TCB）指针（用户手动分配）/* 启动任务调度器：自动创建空闲任务 */vTaskStartScheduler();
}void task_start(void *pvParameters)
{/* 进入临界区:保护临界区里的代码不会被打断 */taskENTER_CRITICAL();/* 创建任务 */xTaskCreate((TaskFunction_t)task1,(char *)"task1",(configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK1_STACK_SIZE,(void *)NULL,(UBaseType_t)TASK1_PRIORITY,(TaskHandle_t *)&Task1_Handler);timer1 = xTimerCreate((char *)"timer1",(TickType_t)10,(BaseType_t)pdTRUE,(void *)0,scan_keypad);timer2 = xTimerCreate((char *)"timer2",(TickType_t)1000,(BaseType_t)pdTRUE,(void *)0,timer2_callback);if (timer1 != NULL && timer2 != NULL)printf("软件定时器创建成功\r\n");elseprintf("软件定时器创建失败\r\n");xTimerStart(timer1, portMAX_DELAY);/* 启动任务只需要执行一次即可，用完就删除自己 */vTaskDelete(NULL);/* 退出临界区 */taskEXIT_CRITICAL();
}
2 ) 按键扫描函数（这里为4*4矩阵键盘）
// 键盘消抖扫描函数
void scan_keypad(TimerHandle_t xTimer)
{// 依次扫描每一行for (int row = 0; row < 4; row++){// 将当前行置为低电平，其他行置为高电平HAL_GPIO_WritePin(ROW_GPIO_PORT, ROW1_PIN, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(ROW_GPIO_PORT, ROW2_PIN, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(ROW_GPIO_PORT, ROW3_PIN, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(ROW_GPIO_PORT, ROW4_PIN, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(ROW_GPIO_PORT, (row == 0) ? ROW1_PIN : (row == 1) ? ROW2_PIN: (row == 2) ? ROW3_PIN: ROW4_PIN,GPIO_PIN_RESET);// 检查每一列的状态for (int col = 0; col < 4; col++){key[(row * 4) + col].state = HAL_GPIO_ReadPin(COL_GPIO_PORT, (col == 0) ? COL1_PIN : (col == 1) ? COL2_PIN: (col == 2) ? COL3_PIN: COL4_PIN);}}for (int i = 0; i < 16; i++){switch (key[i].judge){case 0:{if (key[i].state == 0){key[i].judge = 1;}}break;case 1:{if (key[i].state == 0){key[i].judge = 2;}}break;case 2:{if (key[i].state == 1){key[i].flag = 1;key[i].judge = 0;}break;}}}
}
3 ) task1
void task1(void *pvParameters)
{BaseType_t err = pdFAIL;while (1){if (key[0].flag){err = xTimerStart(timer2, portMAX_DELAY);if (err == pdTRUE)printf("开启软件定时器2成功 \r\n");elseprintf("开启软件定时器2失败 \r\n");key[0].flag = 0;}if (key[1].flag){err = xTimerStop(timer2, portMAX_DELAY);if (err == pdTRUE)printf("关闭软件定时器2成功 \r\n");elseprintf("关闭软件定时器2失败 \r\n");key[1].flag = 0;}if (key[2].flag){err = xTimerChangePeriod(timer2,(TickType_t) 500 ,portMAX_DELAY);if (err == pdTRUE)printf("修改软件定时器2回调周期成功 \r\n");elseprintf("修改软件定时器2回调周期失败 \r\n");key[2].flag = 0;}if (key[3].flag){err = xTimerPendFunctionCall((PendedFunction_t)fun,NULL,0,portMAX_DELAY);if (err == pdTRUE)printf("将函数 fun 发送到定时器服务任务中执行成功 \r\n");elseprintf("将函数 fun 发送到定时器服务任务中执行中失败 \r\n");key[3].flag = 0;}vTaskDelay(100);}
}
4 ) 发送到定时器服务任务中的函数
void fun(void);
void fun(){printf("fun runing...\r\n");
}
5 ) timer2 回调函数
void timer2_callback(TimerHandle_t xTimer)
{static unsigned int time = 0;printf("timer2 运行次数为： %d \r\n", ++time);
}