系统时间

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概述

ESP32-S2 使用两种硬件时钟源建立和保持系统时间。根据应用目的及对系统时间的精度要求,既可以仅使用其中一种时钟源,也可以同时使用两种时钟源。这两种硬件时钟源为:

  • RTC 定时器:RTC 定时器在任何睡眠模式下及在任何复位后均可保持系统时间(上电复位除外,因为上电复位会重置 RTC 定时器)。时钟频率偏差取决于 RTC 定时器时钟源,该偏差只会在睡眠模式下影响时间精度。睡眠模式下,时间分辨率为 6.667 μs。

  • 高分辨率定时器:高分辨率定时器在睡眠模式下及在复位后不可用,但其时间精度更高。该定时器使用 APB_CLK 时钟源(通常为 80 MHz),时钟频率偏差小于 ±10 ppm,时间分辨率为 1 μs。

可供选择的硬件时钟源组合如下所示:

  • RTC 和高分辨率定时器(默认)

  • RTC

  • 高分辨率定时器

默认时钟源的时间精度最高,建议使用该配置。此外,用户也可以通过配置选项 CONFIG_NEWLIB_TIME_SYSCALL 来选择其他时钟源。

RTC 定时器时钟源

RTC 定时器有以下时钟源:

  • 内置 90 kHz RC 振荡器 (默认):Deep-sleep 模式下电流消耗最低,不依赖任何外部元件。但由于温度波动会影响该时钟源的频率稳定性,在 Deep-sleep 和 Light-sleep 模式下都有可能发生时间偏移。

  • 外置 32 kHz 晶振:需要将一个 32 kHz 晶振连接到 XTAL_32K_P 和 XTAL_32K_N 管脚。频率稳定性更高,但在 Deep-sleep 模式下电流消耗略高(比默认模式高 1 μA)。

  • 管脚 XTAL_32K_P 外置 32 kHz 振荡器:允许使用由外部电路产生的 32 kHz 时钟。外部时钟信号必须连接到管脚 XTAL_32K_P。正弦波信号的振幅应小于 1.2 V,方波信号的振幅应小于 1 V。正常模式下,电压范围应为 0.1 < Vcm < 0.5 xVamp,其中 Vamp 代表信号振幅。使用此时钟源时,管脚 XTAL_32K_P 无法用作 GPIO 管脚。

  • 内置 8.5 MHz 振荡器的 256 分频时钟 (~33 kHz):频率稳定性优于 内置 90 kHz RC 振荡器,同样无需外部元件,但 Deep-sleep 模式下电流消耗更高(比默认模式高 5 μA)。

时钟源的选择取决于系统时间精度要求和睡眠模式下的功耗要求。要修改 RTC 时钟源,请在项目配置中设置 CONFIG_RTC_CLK_SRC

想要了解外置晶振或外置振荡器的更多布线要求,请参考 ESP32-S2 硬件设计指南

获取当前时间

要获取当前时间,请使用 POSIX 函数 gettimeofday()。此外,您也可以使用以下标准 C 库函数来获取时间并对其进行操作:

gettimeofday
time
asctime
clock
ctime
difftime
gmtime
localtime
mktime
strftime
adjtime*

如需立即更新当前时间,并暂停平滑时间校正,请使用 POSIX 函数 settimeofday()

若要求时间的分辨率为 1 s,请使用以下代码片段:

time_t now;
char strftime_buf[64];
struct tm timeinfo;

time(&now);
// 将时区设置为中国标准时间
setenv("TZ", "CST-8", 1);
tzset();

localtime_r(&now, &timeinfo);
strftime(strftime_buf, sizeof(strftime_buf), "%c", &timeinfo);
ESP_LOGI(TAG, "The current date/time in Shanghai is: %s", strftime_buf);

若要求时间的分辨率为 1 μs,请使用以下代码片段:

struct timeval tv_now;
gettimeofday(&tv_now, NULL);
int64_t time_us = (int64_t)tv_now.tv_sec * 1000000L + (int64_t)tv_now.tv_usec;

SNTP 时间同步

要设置当前时间,可以使用 POSIX 函数 settimeofday()adjtime()。lwIP 中的 SNTP 库会在收到 NTP 服务器的响应报文后,调用这两个函数以更新当前的系统时间。当然,用户可以在 lwIP SNTP 库之外独立地使用这两个函数。

在 lwIP SNTP 库内部调用的函数依赖于系统时间的同步模式。可使用函数 sntp_set_sync_mode() 来设置下列同步模式之一。

  • SNTP_SYNC_MODE_IMMED (默认):使用函数 settimeofday() 后,收到 SNTP 服务器响应时立即更新系统时间。

  • SNTP_SYNC_MODE_SMOOTH:使用函数 adjtime() 后,通过逐渐减小时间误差,平滑地更新时间。如果 SNTP 响应报文中的时间与当前系统时间相差大于 35 分钟,则会通过 settimeofday() 立即更新系统时间。

lwIP SNTP 库提供了 API 函数,用于设置某个事件的回调函数。您可能需要使用以下函数:

通过 SNTP 开始时间同步,只需调用以下三个函数:

sntp_setoperatingmode(SNTP_OPMODE_POLL);
sntp_setservername(0, "pool.ntp.org");
sntp_init();

添加此初始化代码后,应用程序将定期同步时间。时间同步周期由 CONFIG_LWIP_SNTP_UPDATE_DELAY 设置(默认为一小时)。如需修改,请在项目配置中设置 CONFIG_LWIP_SNTP_UPDATE_DELAY

如需查看示例代码,请前往 protocols/sntp 目录。该目录下的示例展示了如何基于 lwIP SNTP 库实现时间同步。

时区

要设置本地时区,请使用以下 POSIX 函数:

  1. 调用 setenv(),将 TZ 环境变量根据设备位置设置为正确的值。时间字符串的格式与 GNU libc 文档 中描述的相同(但实现方式不同)。

  2. 调用 tzset(),为新的时区更新 C 库的运行数据。

完成上述步骤后,请调用标准 C 库函数 localtime()。该函数将返回排除时区偏差和夏令时干扰后的准确本地时间。

64 位 time_t

ESP-IDF 默认使用 32 位的 time_t 类型。为解决 Y2K38 漏洞,您在构建应用程序时可能需要使用 64 位的 time_t 类型。

目前,完成这一操作需要从头开始构建交叉编译器工具链,具体步骤请参阅 Linux 和 macOS 平台工具链的标准设置。要在工具链中启用对 64 位 time_t 的支持,您需要在构建工具链之前从 crosstool-NG/samples/xtensa-esp32-elf/crosstool.config 文件中删除 --enable-newlib-long-time_t 选项。

如需使程序同时兼容 32 位和 64 位的 time_t,可以使用以下方法:

  • 在 C 或 C++ 源文件中,如果 time_t 是 32 位的,编译器会预定义 _USE_LONG_TIME_T 宏,该宏定义在 <sys/types.h> 中。

  • 在 CMake 文件中,ESP-IDF 构建属性 TIME_T_SIZE 将被设置为 time_t 的大小,单位为字节。您可以调用 idf_build_get_property(var TIME_T_SIZE) 来获取该属性的值,并将其放入 CMake 变量 var 中。了解更多关于 idf_build_get_property 的信息,参见 ESP-IDF CMake 构建系统 API

注意, time_t 类型的大小也会影响其他类型的大小,例如 struct timevalstruct statstruct utimbuf

API 参考

Functions

void sntp_sync_time(struct timeval *tv)

This function updates the system time.

This is a weak-linked function. It is possible to replace all SNTP update functionality by placing a sntp_sync_time() function in the app firmware source. If the default implementation is used, calling sntp_set_sync_mode() allows the time synchronization mode to be changed to instant or smooth. If a callback function is registered via sntp_set_time_sync_notification_cb(), it will be called following time synchronization.

参数

tv – Time received from SNTP server.

void sntp_set_sync_mode(sntp_sync_mode_t sync_mode)

Set the sync mode.

Modes allowed: SNTP_SYNC_MODE_IMMED and SNTP_SYNC_MODE_SMOOTH.

参数

sync_mode – Sync mode.

sntp_sync_mode_t sntp_get_sync_mode(void)

Get set sync mode.

返回

SNTP_SYNC_MODE_IMMED: Update time immediately. SNTP_SYNC_MODE_SMOOTH: Smooth time updating.

sntp_sync_status_t sntp_get_sync_status(void)

Get status of time sync.

After the update is completed, the status will be returned as SNTP_SYNC_STATUS_COMPLETED. After that, the status will be reset to SNTP_SYNC_STATUS_RESET. If the update operation is not completed yet, the status will be SNTP_SYNC_STATUS_RESET. If a smooth mode was chosen and the synchronization is still continuing (adjtime works), then it will be SNTP_SYNC_STATUS_IN_PROGRESS.

返回

SNTP_SYNC_STATUS_RESET: Reset status. SNTP_SYNC_STATUS_COMPLETED: Time is synchronized. SNTP_SYNC_STATUS_IN_PROGRESS: Smooth time sync in progress.

void sntp_set_sync_status(sntp_sync_status_t sync_status)

Set status of time sync.

参数

sync_status – status of time sync (see sntp_sync_status_t)

void sntp_set_time_sync_notification_cb(sntp_sync_time_cb_t callback)

Set a callback function for time synchronization notification.

参数

callback – a callback function

void sntp_set_sync_interval(uint32_t interval_ms)

Set the sync interval of SNTP operation.

Note: SNTPv4 RFC 4330 enforces a minimum sync interval of 15 seconds. This sync interval will be used in the next attempt update time throught SNTP. To apply the new sync interval call the sntp_restart() function, otherwise, it will be applied after the last interval expired.

参数

interval_ms – The sync interval in ms. It cannot be lower than 15 seconds, otherwise 15 seconds will be set.

uint32_t sntp_get_sync_interval(void)

Get the sync interval of SNTP operation.

返回

the sync interval

bool sntp_restart(void)

Restart SNTP.

返回

True - Restart False - SNTP was not initialized yet

Type Definitions

typedef void (*sntp_sync_time_cb_t)(struct timeval *tv)

SNTP callback function for notifying about time sync event.

Param tv

Time received from SNTP server.

Enumerations

enum sntp_sync_mode_t

SNTP time update mode.

Values:

enumerator SNTP_SYNC_MODE_IMMED

Update system time immediately when receiving a response from the SNTP server.

enumerator SNTP_SYNC_MODE_SMOOTH

Smooth time updating. Time error is gradually reduced using adjtime function. If the difference between SNTP response time and system time is large (more than 35 minutes) then update immediately.

enum sntp_sync_status_t

SNTP sync status.

Values:

enumerator SNTP_SYNC_STATUS_RESET
enumerator SNTP_SYNC_STATUS_COMPLETED
enumerator SNTP_SYNC_STATUS_IN_PROGRESS