Linux 内核定时器实验————复习到这
目錄
- Linux 時間管理和內核定時器簡介
- 內核時間管理簡介
- 內核定時器簡介
- Linux 內核短延時函數
- 硬件原理圖分析
- 實驗程序編寫
- 修改設備樹文件
- 定時器驅動程序編寫
- 編寫測試APP
- 運行測試
- 編譯驅動程序和測試APP
- 運行測試
定時器是我們最常用到的功能，一般用來完成定時功能，本章我們就來學習一下Linux 內核提供的定時器API 函數，通過這些定時器API 函數我們可以完成很多要求定時的應用。Linux內核也提供了短延時函數，比如微秒、納秒、毫秒延時函數，本章我們就來學習一下這些和時間有關的功能。
Linux 時間管理和內核定時器簡介
內核時間管理簡介
學習過UCOS 或FreeRTOS 的同學應該知道，UCOS 或FreeRTOS 是需要一個硬件定時器提供系統時鐘，一般使用Systick 作為系統時鐘源。同理，Linux 要運行，也是需要一個系統時鐘的，至于這個系統時鐘是由哪個定時器提供的，筆者沒有去研究過Linux 內核，但是在Cortex-A7 內核中有個通用定時器，在《Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf》的“9:Generic Timer”
章節有簡單的講解，關于這個通用定時器的詳細內容，可以參考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的“chapter B8 The Generic Timer”章節。這個通用定時器是可選的，按照筆者學習FreeRTOS 和STM32 的經驗，猜測Linux 會將這個通用定時器作為Linux 系統時鐘源(前提是SOC 得選配這個通用定時器)。具體是怎么做的筆者沒有深入研究過，這里僅僅是猜測！不過對于我們Linux 驅動編寫者來說，不需要深入研究這些具體的實現，只需要掌握相應的API 函數即可，除非你是內核編寫者或者內核愛好者。
Linux 內核中有大量的函數需要時間管理，比如周期性的調度程序、延時程序、對于我們驅動編寫者來說最常用的定時器。硬件定時器提供時鐘源，時鐘源的頻率可以設置，設置好以后就周期性的產生定時中斷，系統使用定時中斷來計時。中斷周期性產生的頻率就是系統頻率，也叫做節拍率(tick rate)(有的資料也叫系統頻率)，比如1000Hz，100Hz 等等說的就是系統節拍
率。系統節拍率是可以設置的，單位是Hz，我們在編譯Linux 內核的時候可以通過圖形化界面設置系統節拍率，按照如下路徑打開配置界面：
選中“Timer frequency”，打開以后如圖50.1.1.1 所示：
從圖50.1.1.1 可以看出，可選的系統節拍率為100Hz、200Hz、250Hz、300Hz、500Hz 和1000Hz，默認情況下選擇100Hz。設置好以后打開Linux 內核源碼根目錄下的.config 文件，在此文件中有如圖50.1.1.2 所示定義：
圖50.1.1.2 中的CONFIG_HZ 為100，Linux 內核會使用CONFIG_HZ 來設置自己的系統時鐘。打開文件include/asm-generic/param.h，有如下內容：
第7 行定義了一個宏HZ，宏HZ 就是CONFIG_HZ，因此HZ=100，我們后面編寫Linux驅動的時候會常常用到HZ，因為HZ 表示一秒的節拍數，也就是頻率。
大多數初學者看到系統節拍率默認為100Hz 的時候都會有疑問，怎么這么小？100Hz 是可選的節拍率里面最小的。為什么不選擇大一點的呢？這里就引出了一個問題：高節拍率和低節拍率的優缺點：
①、高節拍率會提高系統時間精度，如果采用100Hz 的節拍率，時間精度就是10ms，采用1000Hz 的話時間精度就是1ms，精度提高了10 倍。高精度時鐘的好處有很多，對于那些對時間要求嚴格的函數來說，能夠以更高的精度運行，時間測量也更加準確。
②、高節拍率會導致中斷的產生更加頻繁，頻繁的中斷會加劇系統的負擔，1000Hz 和100Hz的系統節拍率相比，系統要花費10 倍的“精力”去處理中斷。中斷服務函數占用處理器的時間增加，但是現在的處理器性能都很強大，所以采用1000Hz 的系統節拍率并不會增加太大的負載壓力。根據自己的實際情況，選擇合適的系統節拍率，本教程我們全部采用默認的100Hz 系統節拍率。
Linux 內核使用全局變量jiffies 來記錄系統從啟動以來的系統節拍數，系統啟動的時候會將jiffies 初始化為0，jiffies 定義在文件include/linux/jiffies.h 中，定義如下：
76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64; 77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;第76 行，定義了一個64 位的jiffies_64。
第77 行，定義了一個unsigned long 類型的32 位的jiffies。jiffies_64 和jiffies 其實是同一個東西，jiffies_64 用于64 位系統，而jiffies 用于32 位系統。
為了兼容不同的硬件，jiffies 其實就是jiffies_64 的低32 位，jiffies_64 和jiffies 的結構如圖50.1.1.3 所示：
當我們訪問jiffies 的時候其實訪問的是jiffies_64 的低32 位，使用get_jiffies_64 這個函數可以獲取jiffies_64 的值。在32 位的系統上讀取jiffies 的值，在64 位的系統上jiffes 和jiffies_64表示同一個變量，因此也可以直接讀取jiffies 的值。所以不管是32 位的系統還是64 位系統，都可以使用jiffies。
前面說了HZ 表示每秒的節拍數，jiffies 表示系統運行的jiffies 節拍數，所以jiffies/HZ 就是系統運行時間，單位為秒。不管是32 位還是64 位的jiffies，都有溢出的風險，溢出以后會重新從0 開始計數，相當于繞回來了，因此有些資料也將這個現象也叫做繞回。假如HZ 為最大值1000 的時候，32 位的jiffies 只需要49.7 天就發生了繞回，對于64 位的jiffies 來說大概需要5.8 億年才能繞回，因此jiffies_64 的繞回忽略不計。處理32 位jiffies 的繞回顯得尤為重要，Linux 內核提供了如表50.1.1.1 所示的幾個API 函數來處理繞回。
如果unkown 超過known 的話，time_after 函數返回真，否則返回假。如果unkown 沒有超過known 的話time_before 函數返回真，否則返回假。time_after_eq 函數和time_after 函數類似，只是多了判斷等于這個條件。同理，time_before_eq 函數和time_before 函數也類似。比如我們要判斷某段代碼執行時間有沒有超時，此時就可以使用如下所示代碼：
timeout 就是超時時間點，比如我們要判斷代碼執行時間是不是超過了2 秒，那么超時時間點就是jiffies+(2*HZ)，如果jiffies 大于timeout 那就表示超時了，否則就是沒有超時。第4~6 行就是具體的代碼段。第9 行通過函數time_before 來判斷jiffies 是否小于timeout，如果小于的話就表示沒有超時。
為了方便開發，Linux 內核提供了幾個jiffies 和ms、us、ns 之間的轉換函數，如表50.1.1.2所示：
內核定時器簡介
定時器是一個很常用的功能，需要周期性處理的工作都要用到定時器。Linux 內核定時器采用系統時鐘來實現，并不是我們在裸機篇中講解的PIT 等硬件定時器。Linux 內核定時器使用很簡單，只需要提供超時時間(相當于定時值)和定時處理函數即可，當超時時間到了以后設置的定時處理函數就會執行，和我們使用硬件定時器的套路一樣，只是使用內核定時器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。在使用內核定時器的時候要注意一點，內核定時器并不是周期性運行的，超時以后就會自動關閉，因此如果想要實現周期性定時，那么就需要在定時處理函數中重新開啟定時器。Linux 內核使用timer_list 結構體表示內核定時器，timer_list 定義在文件include/linux/timer.h 中，定義如下(省略掉條件編譯)：
struct timer_list { struct list_head entry; unsigned long expires; /* 定時器超時時間，單位是節拍數*/ struct tvec_base *base; void (*function)(unsigned long); /* 定時處理函數*/ unsigned long data; /* 要傳遞給function函數的參數*/ int slack; };要使用內核定時器首先要先定義一個timer_list 變量，表示定時器，tiemr_list 結構體的expires 成員變量表示超時時間，單位為節拍數。比如我們現在需要定義一個周期為2 秒的定時器，那么這個定時器的超時時間就是jiffies+(2HZ)，因此expires=jiffies+(2HZ)。function 就是定時器超時以后的定時處理函數，我們要做的工作就放到這個函數里面，需要我們編寫這個定時處理函數。
定義好定時器以后還需要通過一系列的API 函數來初始化此定時器，這些函數如下：
1、init_timer 函數
init_timer 函數負責初始化timer_list 類型變量，當我們定義了一個timer_list 變量以后一定要先用init_timer 初始化一下。init_timer 函數原型如下：
函數參數和返回值含義如下：
timer：要初始化定時器。
返回值：沒有返回值。
2、add_timer 函數
add_timer 函數用于向Linux 內核注冊定時器，使用add_timer 函數向內核注冊定時器以后，定時器就會開始運行，函數原型如下：
函數參數和返回值含義如下：
timer：要注冊的定時器。
返回值：沒有返回值。
3、del_timer 函數
del_timer 函數用于刪除一個定時器，不管定時器有沒有被激活，都可以使用此函數刪除。
在多處理器系統上，定時器可能會在其他的處理器上運行，因此在調用del_timer 函數刪除定時器之前要先等待其他處理器的定時處理器函數退出。del_timer 函數原型如下：
函數參數和返回值含義如下：
timer：要刪除的定時器。
返回值：0，定時器還沒被激活；1，定時器已經激活。
4、del_timer_sync 函數
del_timer_sync 函數是del_timer 函數的同步版，會等待其他處理器使用完定時器再刪除，del_timer_sync 不能使用在中斷上下文中。del_timer_sync 函數原型如下所示：
函數參數和返回值含義如下：
timer：要刪除的定時器。
返回值：0，定時器還沒被激活；1，定時器已經激活。
5、mod_timer 函數
mod_timer 函數用于修改定時值，如果定時器還沒有激活的話，mod_timer 函數會激活定時器！函數原型如下：
函數參數和返回值含義如下：
timer：要修改超時時間(定時值)的定時器。
expires：修改后的超時時間。
返回值：0，調用mod_timer 函數前定時器未被激活；1，調用mod_timer 函數前定時器已被激活。
關于內核定時器常用的API 函數就講這些，內核定時器一般的使用流程如下所示：
Linux 內核短延時函數
有時候我們需要在內核中實現短延時，尤其是在Linux 驅動中。Linux 內核提供了毫秒、微秒和納秒延時函數，這三個函數如表50.1.3.1 所示：
硬件原理圖分析
本章使用通過設置一個定時器來實現周期性的閃爍LED 燈，因此本章例程就使用到了一個LED 燈，關于LED 燈的硬件原理圖參考參考8.3 小節即可。
實驗程序編寫
本實驗對應的例程路徑為：開發板光盤-> 2、Linux 驅動例程-> 12_timer。
本章實驗我們使用內核定時器周期性的點亮和熄滅開發板上的LED 燈，LED 燈的閃爍周期由內核定時器來設置，測試應用程序可以控制內核定時器周期。
修改設備樹文件
本章實驗使用到了LED 燈，LED 燈的設備樹節點信息使用45.4.1 小節創建的即可。
定時器驅動程序編寫
新建名為“12_timer”的文件夾，然后在12_timer 文件夾里面創建vscode 工程，工作區命名為“timer”。工程創建好以后新建timer.c 文件，在timer.c 里面輸入如下內容：
#include <linux/types.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/delay.h> #include <linux/ide.h> #include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/errno.h> #include <linux/gpio.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/device.h> #include <linux/of.h> #include <linux/of_address.h> #include <linux/of_gpio.h> #include <linux/semaphore.h> #include <linux/timer.h> #include <asm/mach/map.h> #include <asm/uaccess.h> #include <asm/io.h> /*************************************************************** Copyright ? ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved. 文件名 : timer.c 作者 : 左忠凱 版本 : V1.0 描述 : Linux內核定時器實驗 其他 : 無 論壇 : www.openedv.com 日志 : 初版V1.0 2019/7/24 左忠凱創建 ***************************************************************/ #define TIMER_CNT 1 /* 設備號個數 */ #define TIMER_NAME "timer" /* 名字 */ #define CLOSE_CMD (_IO(0XEF, 0x1)) /* 關閉定時器 */ #define OPEN_CMD (_IO(0XEF, 0x2)) /* 打開定時器 */ #define SETPERIOD_CMD (_IO(0XEF, 0x3)) /* 設置定時器周期命令 */ #define LEDON 1 /* 開燈 */ #define LEDOFF 0 /* 關燈 *//* timer設備結構體 */ struct timer_dev{dev_t devid; /* 設備號 */struct cdev cdev; /* cdev */struct class *class; /* 類 */struct device *device; /* 設備 */int major; /* 主設備號 */int minor; /* 次設備號 */struct device_node *nd; /* 設備節點 */int led_gpio; /* key所使用的GPIO編號 */int timeperiod; /* 定時周期,單位為ms */struct timer_list timer;/* 定義一個定時器*/spinlock_t lock; /* 定義自旋鎖 */ };struct timer_dev timerdev; /* timer設備 *//** @description : 初始化LED燈IO，open函數打開驅動的時候* 初始化LED燈所使用的GPIO引腳。* @param : 無* @return : 無*/ static int led_init(void) {int ret = 0;timerdev.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");if (timerdev.nd== NULL) {return -EINVAL;}timerdev.led_gpio = of_get_named_gpio(timerdev.nd ,"led-gpio", 0);if (timerdev.led_gpio < 0) {printk("can't get led\r\n");return -EINVAL;}/* 初始化led所使用的IO */gpio_request(timerdev.led_gpio, "led"); /* 請求IO */ret = gpio_direction_output(timerdev.led_gpio, 1);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}return 0; }/** @description : 打開設備* @param - inode : 傳遞給驅動的inode* @param - filp : 設備文件，file結構體有個叫做private_data的成員變量* 一般在open的時候將private_data指向設備結構體。* @return : 0 成功;其他 失敗*/ static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp) {int ret = 0;filp->private_data = &timerdev; /* 設置私有數據 */timerdev.timeperiod = 1000; /* 默認周期為1s */ret = led_init(); /* 初始化LED IO */if (ret < 0) {return ret;}return 0; }/** @description : ioctl函數，* @param - filp : 要打開的設備文件(文件描述符)* @param - cmd : 應用程序發送過來的命令* @param - arg : 參數* @return : 0 成功;其他 失敗*/ static long timer_unlocked_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {struct timer_dev *dev = (struct timer_dev *)filp->private_data;int timerperiod;unsigned long flags;switch (cmd) {case CLOSE_CMD: /* 關閉定時器 */del_timer_sync(&dev->timer);break;case OPEN_CMD: /* 打開定時器 */spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);timerperiod = dev->timeperiod;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timerperiod));break;case SETPERIOD_CMD: /* 設置定時器周期 */spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);dev->timeperiod = arg;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(arg));break;default:break;}return 0; }/* 設備操作函數 */ static struct file_operations timer_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = timer_open,.unlocked_ioctl = timer_unlocked_ioctl, };/* 定時器回調函數 */ void timer_function(unsigned long arg) {struct timer_dev *dev = (struct timer_dev *)arg;static int sta = 1;int timerperiod;unsigned long flags;sta = !sta; /* 每次都取反，實現LED燈反轉 */gpio_set_value(dev->led_gpio, sta);/* 重啟定時器 */spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);timerperiod = dev->timeperiod;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timeperiod)); }/** @description : 驅動入口函數* @param : 無* @return : 無*/ static int __init timer_init(void) {/* 初始化自旋鎖 */spin_lock_init(&timerdev.lock);/* 注冊字符設備驅動 *//* 1、創建設備號 */if (timerdev.major) { /* 定義了設備號 */timerdev.devid = MKDEV(timerdev.major, 0);register_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT, TIMER_NAME);} else { /* 沒有定義設備號 */alloc_chrdev_region(&timerdev.devid, 0, TIMER_CNT, TIMER_NAME); /* 申請設備號 */timerdev.major = MAJOR(timerdev.devid); /* 獲取分配號的主設備號 */timerdev.minor = MINOR(timerdev.devid); /* 獲取分配號的次設備號 */}/* 2、初始化cdev */timerdev.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&timerdev.cdev, &timer_fops);/* 3、添加一個cdev */cdev_add(&timerdev.cdev, timerdev.devid, TIMER_CNT);/* 4、創建類 */timerdev.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME);if (IS_ERR(timerdev.class)) {return PTR_ERR(timerdev.class);}/* 5、創建設備 */timerdev.device = device_create(timerdev.class, NULL, timerdev.devid, NULL, TIMER_NAME);if (IS_ERR(timerdev.device)) {return PTR_ERR(timerdev.device);}/* 6、初始化timer，設置定時器處理函數,還未設置周期，所有不會激活定時器 */init_timer(&timerdev.timer);timerdev.timer.function = timer_function;timerdev.timer.data = (unsigned long)&timerdev;return 0; }/** @description : 驅動出口函數* @param : 無* @return : 無*/ static void __exit timer_exit(void) {gpio_set_value(timerdev.led_gpio, 1); /* 卸載驅動的時候關閉LED */del_timer_sync(&timerdev.timer); /* 刪除timer */ #if 0del_timer(&timerdev.tiemr); #endif/* 注銷字符設備驅動 */cdev_del(&timerdev.cdev);/* 刪除cdev */unregister_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT); /* 注銷設備號 */device_destroy(timerdev.class, timerdev.devid);class_destroy(timerdev.class); }module_init(timer_init); module_exit(timer_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");第38~50 行，定時器設備結構體，在48 行定義了一個定時器成員變量timer。
第60~82 行，LED 燈初始化函數，從設備樹中獲取LED 燈信息，然后初始化相應的IO。
第91~102 行，函數timer_open，對應應用程序的open 函數，應用程序調用open 函數打開/dev/timer 驅動文件的時候此函數就會執行。此函數設置文件私有數據為timerdev，并且初始化定時周期默認為1 秒，最后調用led_init 函數初始化LED 所使用的IO。
第111~137 行，函數timer_unlocked_ioctl，對應應用程序的ioctl 函數，應用程序調用ioctl函數向驅動發送控制信息，此函數響應并執行。此函數有三個參數：filp，cmd 和arg，其中filp是對應的設備文件，cmd 是應用程序發送過來的命令信息，arg 是應用程序發送過來的參數，在本章例程中arg 參數表示定時周期。
一共有三種命令CLOSE_CMD，OPEN_CMD 和SETPERIOD_CMD，這三個命令分別為關閉定時器、打開定時器、設置定時周期。這三個命令的左右如下：
CLOSE_CMD：關閉定時器命令，調用del_timer_sync 函數關閉定時器。
OPEN_CMD：打開定時器命令，調用mod_timer 函數打開定時器，定時周期為timerdev 的timeperiod 成員變量，定時周期默認是1 秒。
SETPERIOD_CMD：設置定時器周期命令，參數arg 就是新的定時周期，設置timerdev 的timeperiod 成員變量為arg 所表示定時周期指。并且使用mod_timer 重新打開定時器，使定時器以新的周期運行。
第140~144 行，定時器驅動操作函數集timer_fops。
第147~162 行，函數timer_function，定時器服務函數，此函有一個參數arg，在本例程中arg 參數就是timerdev 的地址，這樣通過arg 參數就可以訪問到設備結構體。當定時周期到了以后此函數就會被調用。在此函數中將LED 燈的狀態取反，實現LED 燈閃爍的效果。因為內核定時器不是循環的定時器，執行一次以后就結束了，因此在161 行又調用了mod_timer 函數重
新開啟定時器。
第169~ 209 行，函數timer_init，驅動入口函數。在第205~207 行初始化定時器，設置定時器的定時處理函數為timer_function，另外設置要傳遞給timer_function 函數的參數為timerdev的地址。在此函數中并沒有調用timer_add 函數來開啟定時器，因此定時器默認是關閉的，除非應用程序發送打開命令。
第216~231 行，驅動出口函數，在219 行關閉LED，也就是卸載驅動以后LED 處于熄滅狀態。第220 行調用del_timer_sync 函數刪除定時器，也可以使用del_timer 函數。
編寫測試APP
測試APP 我們要實現的內容如下：
①、運行APP 以后提示我們輸入要測試的命令，輸入1 表示關閉定時器、輸入2 表示打開定時器，輸入3 設置定時器周期。
②、如果要設置定時器周期的話，需要讓用戶輸入要設置的周期值，單位為毫秒。
新建名為timerApp.c 的文件，然后輸入如下所示內容：
第22~24 行，命令值。
第53~73 行，while(1)循環，讓用戶輸入要測試的命令，然后通過第72 行的ioctl 函數發送給驅動程序。如果是設置定時器周期命令SETPERIOD_CMD，那么ioctl 函數的arg 參數就是用戶輸入的周期值。
運行測試
編譯驅動程序和測試APP
1、編譯驅動程序
編寫Makefile 文件，本章實驗的Makefile 文件和第四十章實驗基本一樣，只是將obj-m 變量的值改為timer.o，Makefile 內容如下所示：
第4 行，設置obj-m 變量的值為timer.o。
輸入如下命令編譯出驅動模塊文件：
編譯成功以后就會生成一個名為“timer.ko”的驅動模塊文件。
2、編譯測試APP
輸入如下命令編譯測試timerApp.c 這個測試程序：
編譯成功以后就會生成timerApp 這個應用程序。
運行測試
將上一小節編譯出來的timer.ko 和timerApp 這兩個文件拷貝到rootfs/lib/modules/4.1.15 目錄中，重啟開發板，進入到目錄lib/modules/4.1.15 中，輸入如下命令加載timer.ko 驅動模塊：
depmod //第一次加載驅動的時候需要運行此命令 modprobe timer.ko //加載驅動驅動加載成功以后如下命令來測試：
./timerApp /dev/timer輸入上述命令以后終端提示輸入命令，如圖50.4.2.1 所示：
輸入“2”，打開定時器，此時LED 燈就會以默認的1 秒周期開始閃爍。在輸入“3”來設置定時周期，根據提示輸入要設置的周期值，如圖50.4.2.2 所示：
輸入“500”，表示設置定時器周期值為500ms，設置好以后LED 燈就會以500ms 為間隔，開始閃爍。最后可以通過輸入“1”來關閉定時器，如果要卸載驅動的話輸入如下命令即可：
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux 内核定时器实验————复习到这的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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