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# 系统墙钟时间维护 设计说明
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> 模块：`App/util/sys_clock.c` / `App/util/sys_clock.h`
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> 依赖：SD2506API-G RTC 驱动（`Drivers/BSP/SD2506/`）、HAL（`HAL_GetTick()`）
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> 适用平台：STM32F407ZGTx（Cortex-M4，168MHz），I2C1 接 SD2506
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> 作者：王建锋 创建日期：2026-07-19
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## 1. 概述
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系统需要一个"墙钟时间"（wall clock，即真实日历时间 `YYYY-MM-DD HH:MM:SS`），用于：
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- 日志/调试信息打时间戳；
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- 文件系统的文件创建/修改时间（FatFS 需要）；
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- 业务逻辑中基于真实时间的判定（定时、超时、调度等）；
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- 对外接口（如 FTP `LIST` 返回的文件时间、SNTP/NTP 校时等）。
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本模块在 **SD2506 硬件 RTC（掉电保持）** 与 **HAL 系统节拍（运行期计时）** 之间做桥接：
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- 启动时从 SD2506 读取一次真实时间，换算为 Unix 时间戳，建立"墙钟基准"；
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- 运行期间不再频繁访问 I2C RTC，而是以 **HAL Tick 流逝量** 推算当前时间，避免每次取时都走 I2C 总线；
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- 仅在 `sys_clock_set()` 被调用（如用户校时、SNTP 同步）时，才把时间写回 SD2506 实现掉电保持。
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## 2. 角色与依赖
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| 角色 | 提供方 | 说明 |
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|------|--------|------|
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| 硬件实时钟（RTC） | SD2506API-G | 温补晶振，带备份电池，掉电后继续走时；I2C1（PB6-SCL/PB7-SDA） |
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| 系统节拍 | `HAL_GetTick()` | 毫秒级计数，HAL 时基由 TIM7 提供（168MHz 主频派生，精度远高于走时需求） |
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| Unix 时间戳 | 本模块计算 | 自 1970-01-01 00:00:00 UTC 起的秒数（`uint32_t`） |
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| 时间结构 | `sd2506_time_t` | SD2506 驱动定义，`year` 为**完整年份（2000~2099）**，含 `week` |
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**调用顺序（见 `Src/main.c`）：**
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app_main_init(); /* 外设/日志等前置初始化 */
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sd2506_init(); /* 初始化 RTC（I2C 通信、24h 制、充电配置） */
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sys_clock_init(); /* 读取 RTC → 建立墙钟基准 */
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```
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> 必须在 `sd2506_init()` 之后调用 `sys_clock_init()`；其余 `sys_clock_*` 接口必须在 `sys_clock_init()` 之后使用。
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## 3. 核心思想：基准法（drift-free 维持）
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为什么不每次都读 RTC？
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- SD2506 走 I2C，单次读取有总线开销与阻塞延迟；
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- RTC 自身已足够精确，无需运行时反复校准；
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- 运行期真正变化的只是"过了多少时间"，由 HAL Tick 提供。
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因此模块只在初始化（`sys_clock_init`）与显式设置（`sys_clock_set`）时接触 RTC，其余时刻用以下公式维持时间：
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```
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当前 Unix 秒数 = s_base_unix_secs + (HAL_GetTick() - s_base_tick) / 1000
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```
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其中 `(now_tick - s_base_tick)` 为 **unsigned 模减法**：Tick 每 ~49.7 天（2³² ms）回绕一次时，单次回绕本身被模运算无缝吸收。但**差值窗口必须始终小于一整圈**——否则连续运行超过 49.7 天后差值混叠，"过了 2.5 天" 与 "过了一整圈 + 2.5 天" 无法区分，墙钟整体倒退一圈。因此 `sys_clock_get()` 内置**惰性再基准化**（§7）：窗口达到 30 天时把基准向前平移（墙钟值不变、窗口清零，亚秒余数结转，无损），窗口恒 < 49.7 天，任意长连续运行均无回绕。
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## 4. 内部数据结构
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`App/util/sys_clock.c` 中定义两个静态变量作为墙钟基准：
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```c
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static volatile uint32_t s_base_tick = 0; /* HAL_GetTick() 基准（建立基准时的 Tick 值） */
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static volatile uint32_t s_base_unix_secs = UINT32_MAX; /* 基准对应的 Unix 秒数；初始为 UINT32_MAX 表示"未建立" */
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```
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- `s_base_tick`：`sys_clock_init()` / `sys_clock_set()` 时采样；运行期另由 `sys_clock_get()` 的惰性再基准化（§7）每 30 天平移一次。
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- `s_base_unix_secs`：与 `s_base_tick` 同一时刻的 Unix 秒数；`sys_clock_get()` 以它为锚推算当前值。
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- 二者均带 `volatile`（跨任务共享：更新只发生在 `sys_clock_init` / `sys_clock_set` / 再基准化临界区，读取可能发生在任意任务/中断上下文）。
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> 注：`app_main.c`（app_main_init）调用 `sys_clock_init()`；使用方含 `dbg_log`（日志时间戳）、`ffsystem`（文件时间戳）、`time_sync`（对时）等。
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## 5. 对外 API
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| 函数 | 功能 | 返回值 | 限定条件 |
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|------|------|--------|----------|
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| `int sys_clock_init(void)` | 从 SD2506 读取初始时间，建立墙钟基准（含可选校时） | `0` - 成功；`-1` - RTC 不可用（启用默认值宏时降级为默认时间基准，墙钟仍可用） | `sd2506_init()` 已调用 |
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| `uint32_t sys_clock_get(void)` | 获取当前 Unix 时间戳（秒） | 当前秒数；未初始化返回 `UINT32_MAX` | `sys_clock_init()` 已调用 |
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| `char *sys_clock_get_str(char *buf, size_t buf_size)` | 获取格式化字符串 `YYYY-MM-DD HH:MM:SS` | `buf` 指针；未初始化输出 `----/--/-- --:--:--` | `buf` 有效且 `buf_size ≥ 20` |
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| `int sys_clock_set(uint32_t unix_secs, const sd2506_time_t *sd_time)` | 更新基准，可写回 SD2506 | `0`（始终成功） | `unix_secs` 为合法时间戳 |
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> `sys_clock_init()` 返回 `-1` 表示 RTC 芯片不可用：`RTC_DEFAULT_INIT_ENABLE=1` 时墙钟降级为编译期默认时间基准（日志时间戳仍有效），`app_main` 记录"时钟芯片异常"自检；禁用时墙钟保持"未初始化"（各取时接口返回无效哨兵）。`sys_clock_set()` 只更新基准（写回 RTC 尽力而为），恒返回 `0`。
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## 6. 初始化流程（`sys_clock_init`）
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```mermaid
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sequenceDiagram
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autonumber
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participant SC as sys_clock_init
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participant RTC as SD2506 RTC
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participant HAL as HAL Tick
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Note over SC,RTC: Step 1 从 SD2506 读取初始时间（检查返回值）
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SC->>RTC: sd2506_get_time(sd_time)
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RTC-->>SC: sd_time（year 已是完整年份）+ 返回值
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Note right of SC: 后续换算【不得】再加 2000<br>否则年份虚增 → Unix 秒数超 uint32 回绕
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Note right of SC: 可选校时（见第 9 节）：读失败/越界 →<br>写默认时间 → 重读（检查返回值）→ 复验范围
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alt RTC 仍不可用
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Note over SC: 降级：ENABLE=1 → 以编译期默认时间建基准（仅 RAM）并返回 -1；<br>ENABLE=0 → 不建基准（墙钟保持"未初始化"）并返回 -1<br>app_main 记录"时钟芯片异常"自检
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end
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Note over SC: Step 2 将 RTC 时间换算为 Unix epoch 秒数
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SC->>SC: 累计 1970 至当前年份的整年天数（含闰年 366 天判定）
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SC->>SC: 加上当年 1 月至当前月的累计天数
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SC->>SC: 加当月已过天数、时/分/秒
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SC->>SC: 用 int64_t 累加，避免中间溢出；结果截断存入 uint32_t（受 2038 限制，见第 12 节）
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Note over SC,HAL: Step 3 建立基准
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SC->>HAL: HAL_GetTick()
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HAL-->>SC: 当前 tick
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Note right of SC: s_base_tick = HAL_GetTick()<br>s_base_unix_secs = (uint32_t)unix_secs
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```
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初始化后，所有后续取时都基于 Step 3 的基准推算，不再访问 RTC。
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## 7. 时间获取与漂移维持（`sys_clock_get`）
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```c
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uint32_t now_tick = HAL_GetTick();
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uint32_t diff = now_tick - s_base_tick; /* 32 位模减，跨 Tick 回绕无缝 */
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if (s_base_unix_secs != UINT32_MAX && diff > SYS_CLOCK_REBASE_MS) {
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/* 惰性再基准化：窗口达 30 天，基准前移（墙钟值不变），余数结转 */
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taskENTER_CRITICAL();
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diff = now_tick - s_base_tick; /* 复核：防双任务重复累加 */
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if (diff > SYS_CLOCK_REBASE_MS) {
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s_base_unix_secs += diff / 1000u;
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s_base_tick = now_tick - (diff % 1000u); /* 新窗自 (now − 余数) 起算 */
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diff = diff % 1000u;
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}
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taskEXIT_CRITICAL();
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}
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if (s_base_unix_secs == UINT32_MAX) return UINT32_MAX; /* 未初始化（显式哨兵判断） */
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return (uint32_t)((int64_t)s_base_unix_secs + diff / 1000u);
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```
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要点：
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- 用 **整除 1000** 把毫秒 Tick 折算为秒，**不**做每毫秒累加，避免累加误差累积与频繁除法；
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- `now_tick - s_base_tick` 为**模差**：Tick 每 ~49.7 天回绕被无缝吸收，但窗口必须恒 < 一整圈（见下方再基准化）；
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- **惰性再基准化（30 天）**：差值窗口达到 `SYS_CLOCK_REBASE_MS` 时，基准前移流逝秒数并清零窗口——墙钟值逐位不变，亚秒余数结转入新窗（`base_tick = now − rem`），与"从不重基"数学等价，零损失；
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- 再基准化为**自我参照**：纯内存操作、零 I2C、非阻塞——不重读 RTC 重锚（RTC 漂移 ±20ppm ≈ ±1.7 s/天，远大于 Tick 漂移，重锚反而降低精度；RTC 只承担冷启动锚点 + 掉电保持）；
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- 触发为**惰性**：墙钟读取高频（每条日志/文件操作/待机屏），阈值越过后的下一次读取即完成再基准化，无需定时器任务；30 天阈值留 19.7 天余量，设备完全静默也不会越界；
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- 再基准化在**临界区 + 区内复核**中执行，防双任务并发重复累加；
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- 基准未建立（`s_base_unix_secs` 仍为 `UINT32_MAX` 哨兵）时返回 `UINT32_MAX` 作为"无效"（显式哨兵判断，替代旧版对正 int64 永不成立的 `< 0` 检查）。
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### 7.1 字符串格式化（`sys_clock_get_str`）
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内部先 `sys_clock_get()`，若无效则输出占位串 `----/--/-- --:--:--`；否则用 `unix_to_sd2506()` 转回 `sd2506_time_t` 后，以 `snprintf(buf, buf_size, "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", ...)` 格式化（年份显示时 `+2000` 还原为完整年份）。使用 `snprintf` 防止缓冲区溢出，调用方需保证 `buf_size ≥ 20`。
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## 8. 时间设置与回写（`sys_clock_set`）
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```c
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s_base_tick = HAL_GetTick();
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s_base_unix_secs = unix_secs;
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if (sd_time != NULL) {
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sd2506_set_time(sd_time); /* 写回 RTC，实现掉电保持 */
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}
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```
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- 仅更新"基准"，之后 `sys_clock_get()` 即以此为准；
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- 若传入 `sd_time != NULL`，同步写回 SD2506，使断电后时间不丢失；
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- `sd_time` 为 `NULL` 时只改运行期基准、不动 RTC（适用于临时/网络校时尚未落盘的场景）。
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典型应用：SNTP/NTP 同步得到 Unix 秒数 → 转成 `sd2506_time_t` → `sys_clock_set(secs, &sd_time)` 一次性更新运行基准与掉电保持。
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## 9. 开发期校时宏（`sys_clock.c` 顶部）
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```c
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#define RTC_DEFAULT_INIT_ENABLE 1
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#define RTC_DEFAULT_INIT_FORCE 1
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#define RTC_DEFAULT_YEAR 2026
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#define RTC_DEFAULT_MONTH 8
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#define RTC_DEFAULT_DAY 24
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#define RTC_DEFAULT_HOUR 0
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#define RTC_DEFAULT_MINUTE 0
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#define RTC_DEFAULT_SECOND 0
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```
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行为（`sys_clock_init` 内，`#if defined(RTC_DEFAULT_INIT_ENABLE)` 包裹）：
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- 判定 RTC"不可用"：`sd2506_get_time()` 返回值非 OK（I2C 读失败）、`year` 越界（<2000 或 >2099）、`month`/`day` 越界；
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- `RTC_DEFAULT_INIT_FORCE == 1`：强制每次启动都用上述宏写入默认时间；
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- 否则仅在 RTC 不可用时写入；
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- 写入后重新 `sd2506_get_time()` 读取校准后的值（同样检查返回值）并复验范围，再进入 Step 2 换算；
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- RTC 仍不可用时：`ENABLE=1` 则以编译期默认时间建基准（仅 RAM 的降级基准，墙钟仍可用）且 `sys_clock_init` 返回 `-1`；`ENABLE=0` 则不建基准，返回 `-1`。
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> ⚠️ **使用注意**：`FORCE=1` 会**每次开机覆盖用户/网络已设的时间**，仅用于首次烧录或硬件时钟丢失时的开发期校时。校时完成后应将 `RTC_DEFAULT_INIT_FORCE` 置 `0`（或注释 `ENABLE`），否则会抹掉正常运行中通过 SNTP 等写入的正确时间。
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## 10. 时间换算算法
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### 10.1 Unix 秒 ↔ SD2506（`unix_to_sd2506`）
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- 时分秒：对 `unix_secs` 连续 `%60 /60 /24` 拆分；
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- 年月日：先算总天数 `unix_secs / 86400`，再从 1970 年起逐年减去平/闰年天数，定位到具体年；再按月累减定位月、日；
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- 星期：由 Zeller 公式（见 10.2）计算，结果 `0=Sunday`；
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- SD2506 年份字段为 0~99（+2000），故回写时 `year - 2000`。
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### 10.2 星期计算（Zeller 公式）
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`rtc_calc_week()` 与 `unix_to_sd2506()` 内使用同一套算法：
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week = (century_term + month_term + day_term) % 7 /* 0=Sunday */
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```
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- `1、2 月视作上一年的 13、14 月`（公式要求），对应代码里 `wm<=2` 时 `wy--, wm+=12`；
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- 计算与闰年无关，纯日历代数，结果稳定。
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## 11. 集成与调用示例
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`Src/main.c` 中的初始化顺序（节选）：
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```c
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HAL_Delay(100);
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app_main_init();
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sd2506_init(); /* 先初始化 RTC */
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sys_clock_init(); /* 再建立墙钟基准：所有后续日志即带正确时间戳 */
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```
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应用层取时间示例：
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```c
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char ts[24];
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DBG_INFO("now: %s", sys_clock_get_str(ts, sizeof(ts)));
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uint32_t now = sys_clock_get(); /* Unix 秒，可用于 FatFS 文件时间、超时判定等 */
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```
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## 12. 关键设计要点与陷阱
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1. **`year` 已经 `+2000`，禁止二次加 2000**
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`sd2506_get_time()` 返回的 `year` 是完整年份（如 2026）。`sys_clock_init` 的 Step 2 直接把它当完整年份参与 Unix 换算；若再 `+2000` 会得到 4026 年，换算出的 Unix 秒数远超 `uint32_t` 上限，发生截断/回绕，时间彻底错乱。代码中相关注释已明确标注。
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2. **`uint32_t` Unix 时间戳的 2038 上限**
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基准与返回值均为 `uint32_t`，时间范围约为 `1970-01-01 ~ 2038-01-19`。超过 2038 年换算会回绕。当前设备生命周期内可接受；若需长期运行，需改用 `uint64_t` 或 `time_t`。
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3. **Tick 回绕安全与 30 天再基准化**
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`(now_tick - s_base_tick)` 为无符号模差：Tick 每 ~49.7 天（2³² ms）回绕被模运算无缝吸收，但**差值窗口必须恒小于一整圈**——否则连续上电超过 49.7 天后差值混叠，墙钟"倒退"一整圈（49.7 天）。因此 `sys_clock_get()` 在窗口达 30 天时惰性再基准化（基准前移 + 窗口清零，亚秒余数结转、无损、纯内存操作、零 I2C），详见 §7。
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4. **运行期不访问 RTC**
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`sys_clock_get()` 无任何 I2C 操作，零阻塞、可随时在任意任务/中断上下文安全调用（仅读 `volatile` 基准）。
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5. **校时宏的副作用**
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见第 9 节 `FORCE=1` 会覆盖既有正确时间，仅限开发期使用。
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6. **未初始化哨兵必须显式判断**
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"基准未建立"以 `s_base_unix_secs == UINT32_MAX` 表示，`sys_clock_get()` 须**先显式判哨兵**再推算。旧实现以"推算结果 < 0"判断，但哨兵转 int64 后是正数（4294967295），条件永不成立、会返回垃圾小值而非 `UINT32_MAX`（使所有消费方的降级路径失效）——v1.3（2026-09-15）已修正。
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## 13. 已知限制与可扩展方向
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| 项目 | 现状 | 可扩展方向 |
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|------|------|------------|
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| 时间范围 | 受 `uint32_t` 限制至 2038 | 改用 `uint64_t`/`time_t` 扩展 |
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| 运行期校准 | 30 天惰性再基准化已实现（§7）：纯自我参照、零 I2C；**有意不**周期性重读 RTC 重锚——RTC 漂移（±20ppm ≈ ±1.7 s/天）远大于 Tick 漂移，重锚反而降低精度；时间纠偏由时间同步（§15）负责 |
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| 网络校时 | 已实现（PC 推送 / TCP，见第 15 节） | SNTP/NTP 公网校时仍可作为后续扩展 |
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| 时区 | 按 RTC 本地时间处理 | 如需 UTC/时区，可在 API 层增加偏移参数 |
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## 14. 相关文件
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| 路径 | 说明 |
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| `App/util/sys_clock.c` | 墙钟维护实现（基准法、换算、校时宏） |
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| `App/util/sys_clock.h` | 对外 API 声明 |
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| `Drivers/BSP/SD2506/sd2506.c` / `.h` | SD2506 RTC I2C 驱动（`sd2506_get_time` / `sd2506_set_time`） |
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||
| `App/app/app_main.c` | 初始化调用顺序：`sd2506_init()` → `sys_clock_init()` |
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||
| `App/sync/time_sync.c` / `time_sync.h` | 时间同步实现（TCP Server，`timeSyncTask`） |
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| `test/host/time_sync_server.py` | PC 端时间推送客户端（TCP） |
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## 15. 时间同步（PC 推送 / TCP）
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除 RTC 自身走时与开发期校时宏外，系统支持由 **PC 通过 TCP 主动推送本地墙钟** 来同步板子时间，使板子时间与开发电脑一致（无需公网 NTP）。
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### 15.1 模块与角色
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| 角色 | 提供方 | 说明 |
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|------|--------|------|
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| 时间同步服务端（板子） | `App/sync/time_sync.c` / `time_sync.h` | TCP Server，监听 `TIME_SYNC_PORT`（默认 8888） |
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| 同步任务 | `timeSyncTask`（FreeRTOS 任务） | 独立任务，由 `Src/freertos.c` 创建（优先级 `osPriorityNormal`，栈 2KB） |
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| 时间推送端（PC） | `test/host/time_sync_server.py` | Python TCP 客户端，周期推送本机本地时间 |
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| 落盘接口 | `sys_clock_set_unix()` | 收到时间包后调用，内部转 `sd2506_time_t` 并写回 SD2506 |
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### 15.2 协议
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PC 每轮发送固定 8 字节帧：
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字节 0..3 : 魔术字 "TIME"（0x54 0x49 0x4D 0x45）
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字节 4..7 : 本地 Unix 时间戳，uint32，大端（PC 本地时间，含时区，与电脑显示一致）
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```
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板子 `time_sync_handle_conn()` 读取后校验魔术字，取大端 uint32 调用 `sys_clock_set_unix(epoch)` 更新运行基准并写回 RTC。
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### 15.3 任务流程
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`timeSyncTask` 启动后先等待 `SYS_EVT_NET_READY` 事件标志（取代旧版 8s 魔法延时；网络不就绪则一直等待），进入循环：
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```c
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/* osFlagsNoClear：就绪位是"状态"不是"事件"，任何消费者都不得把它清掉
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* （否则其它等待者永不唤醒——2026-09-21 FTP 永不监听事故的根因） */
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osEventFlagsWait(sys_evtHandle, SYS_EVT_NET_READY, osFlagsWaitAny | osFlagsNoClear, osWaitForever);
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for (;;) {
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ls = time_sync_open_listener(); /* net_socket + net_bind + net_listen，失败重试 */
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conn = net_accept(ls, NULL, NULL); /* 阻塞等待 PC 连接（无连接立即返回 -1，循环重试） */
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time_sync_handle_conn(conn); /* net_recv 读到 8 字节 → sys_clock_set_unix → net_close */
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/* conn（单连接模式下即 ls）被 net_close 释放，下次循环重建监听 */
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}
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```
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> 单连接模式下监听 Socket 收到连接后即转为数据通道，连接关闭后被释放；因此每轮循环都**重新创建监听 Socket**（与 `lftpd` 同模式），与 FTP 不冲突。
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### 15.4 为什么用 TCP 而非 UDP
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- 所有 socket 操作（`net_socket` / `net_bind` / `net_listen` / `net_accept` / `net_recv` / `net_close`）均走 `net_socket` 的**线程安全 API**，内部经消息队列由 `netTask` 串行执行；
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- netTask 因此只需做 `net_poll()` + `net_process_messages()`，不掺杂任何应用层网络逻辑；
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- **TCP 的全部 API 已经是基于消息队列的**（已在 `net_socket.c` 实现），而 UDP 的 `net_bind` / `net_sendto` / `net_recvfrom` 绕过队列。选用 TCP 即可让时间同步作为独立任务运行，且**无需改动 `net_socket.c` 的 UDP 路径**。
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### 15.5 Socket 分配与冲突
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- `net_socket()` 从 0 开始分配第一个空闲 Socket 控制块（`alloc_socket()`），并把硬件 Socket 号设为该下标；调用时的第三个参数（0）仅为协议占位，不影响分配。
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- 当前启动顺序：FTP 任务（`NET_READY` + `STORAGE_READY` 屏障满足后，无魔法延时）先监听 → 占用一个 Socket（单连接模式下监听通道复用为数据通道）；时间同步任务（`NET_READY` 后）后监听 → 占用另一个空闲 Socket。二者不冲突。
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- 单连接模式允许**任意** Socket 作为"监听 + 数据复用"通道，且总共 8 个 Socket，FTP 与时间同步各用 1 个，余量充足。
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### 15.6 客户端实现要点（避坑）
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PC 端 `test/host/time_sync_server.py` 发送 8 字节后**必须保持连接打开**，等待板子读取（或短延时）后再 `close()`：
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- 若发送后立刻关闭，CH395F 在收到 FIN 时会**丢弃接收缓冲里尚未被板子读出的 8 字节**；
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- 板子 `net_recv` 经消息队列异步执行（有 ~10ms+ 调度延迟），等它去读时连接已 DISCONNECT、缓冲已清空，`net_recv` 走 CLOSED 分支返回 0，时间包丢失、同步失败；
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- 客户端改为 `sendall` 后 `recv` 直到板子主动关闭（EOF）或 2s 超时，即可保证板子先读到数据。
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### 15.7 验证
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板子日志应出现：
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[TIME_SYNC] time_sync: TCP listen on :8888 (sock=1)
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[NET] sock1 standalone accept
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[NET] recv sock1 len=8
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[CLK] sys_clock_set: wall clock updated to <epoch>
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[CLK] sys_clock_set: SD2506 RTC written
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[TIME_SYNC] time_sync: wall clock updated (epoch=<epoch>)
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PC 端 `python test/host/time_sync_server.py` 每 `interval` 秒推送一次，epoch 随电脑本地时间递增即表示同步正常。
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## 变更记录
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| 日期 | 变更 |
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| 2026-09-15 | v1.3：① `sys_clock_get` 30 天惰性再基准化——修复 49.7 天墙钟回绕（§3/§7/§12）；② `sys_clock_init` 检查 RTC 读返回值/写回复验，失败降级为默认时间基准并返回 -1——激活"时钟芯片异常"自检（§5/§6/§9）；③ 修正未初始化哨兵判断（§12-6）；④ 时间同步任务启动/Socket 占用描述同步为事件屏障 + 单连接实现（§15）；⑤ 新增日志串用 ASCII——本机 ARMCC 按 CP936 解读无 BOM 源文件，奇数汉字字符串会吞掉结束引号致编译失败（见 AGENTS.md 编码铁律） |
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*文档依据 `App/util/sys_clock.c` / `App/sync/time_sync.c` 实现与《嵌入式C语言代码规范_V1.0》整理。*
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