Linux内核定时器
1. 内核时间管理
Linux内核中很多函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序、定时器。硬件定时器提供时钟源，时钟源的频率可以设置，设置好后就周期性的产生定时中断，系统使用定时中断来计时。中断周期性产生的频率就是系统频率，也叫做节拍率 (tick rate)。系统节拍率是可以设置的，单位是 Hz，在编译 Linux内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率，按照如下路径打开配置界面：
-> Kernel Features
-> Timer frequency (<choice>[=y])
默认情况下系统节拍率选择：100Hz，设置好后在Linux内核源码根目录下的 .config文件中可见系统节拍率被设置为100Hz
Linux内核会使用 CONFIG_HZ来设置自己的系统时钟。文件 include/asm-generic/param.h 中有如下内容：
#undef HZ
#define HZ CONFIG_HZ
#define USER_HZ 100 9
#define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)
Linux内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数，系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0，jiffies定义在文件 include/linux/jiffies.h 中，定义如下：
extern u64 __jiffy_data jiffies_64; //定义一个64位的 jiffies_64，用于64位系统
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies; //32位的 jiffies，用于32位系统
HZ 表示每秒的节拍数，jiffies 表示系统运行的jiffies 节拍数，因此 jiffies/HZ 就是系统运行时间，单位为秒。不管是32 位还是64 位的jiffies，都有溢出的风险，溢出以后会重新从 0 开始计数，相当于绕回来了，因此也将这个现象也叫做绕回。假如HZ 为最大值 1000 的时候，32 位的jiffies 只需要49.7 天就发生了绕回，对于64 位的jiffies 来说大概需要5.8 亿年才能绕回，因此jiffies_64 的绕回忽略不计
处理32位 jiffies 的绕回显得尤为重要，Linux 内核提供了如下所示的几个API 函数来处理绕回
如果unkown 超过known 的话，time_after 函数返回真，否则返回假。如果unkown 没有超过known 的话time_before 函数返回真，否则返回假。time_after_eq 函数和time_after 函数类似，只是多了判断等于这个条件。同理，time_before_eq 函数和time_before 函数也类似。
若要判断某段代码执行时间有没有超时，可以使用如下所示代码：
unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
/*************************************
具体的代码
************************************/
/* 判断有没有超时 */
if(time_before(jiffies, timeout)) {
/* 超时未发生 */
} else {
/* 超时发生 */
}
为了方便开发， Linux内核提供了几个 jiffies 和 ms、 us、 ns之间的转换函数，如下示
2. 内核定时器
定时器是一个很常用的功能，需要周期性处理的工作都要用到定时器。 Linux内核定时器采用系统时钟来实现，并不是 PIT 等硬件定时器。 Linux内核定时器使用很简单，只需要提供超时时间 (相当于定时值 )和定时处理函数即可，当超时时间到了以后设置的定时处理函数就会执行
内核定时器并不是周期性运行的，超时以后就会自动关闭，如果想要实现周期性定时，就需要在定时处理函数中重新开启定时器。 Linux内核使用 timer_list结构体表示内核定时器， timer_list 定义在文件 include/linux/timer.h 中，定义如下：
struct timer_list {
struct list_head entry;
unsigned long expires; /* 定时器超时时间，单位是节拍数 */
struct tvec_base *base;
void (*function)(unsigned long); /* 定时处理函数 */
unsigned long data; /* 要传递给function函数的参数 */
int slack;
};
要使用内核定时器首先要先定义一个 timer_list变量，表示定时器，定义好定时器以后还需要通过一系列的 API函数来初始化此定时器，这些函数如下：
- init_timer 函数：初始化 timer_list类型变量
void init_timer(struct timer_list *timer)
//timer: 要初始化的定时器
//无返回值
- add_timer函数：向 Linux 内核注册定时器，注册后定时器就开始运行
void add_timer(struct timer_list *timer)
//timer: 要注册的定时器
//无返回值
- del_timer函数：删除一个定时器，不管有没有被激活都可以删除
int del_timer(struct timer_list * timer)
//timer: 要删除的定时器
//返回值： 0，定时器还没被激活 1，定时器已经激活
- del_timer_sync函数：del_timer 函数的同步版，会等待其他处理器使用完定时器再删除
int del_timer_sync(struct timer_list * timer)
//timer: 要删除的定时器
//返回值： 0，定时器还没被激活 1，定时器已经激活
- mod_timer函数：修改定时值，若定时器还没被激活，此函数会激活定时器
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
//timer：要修改超时时间 (定时值 )的定时器
//expires：修改后的超时时间
函数就讲这些，内核定时器一般的使用方法如下所示：
struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
/* 定时器回调函数 */
void function(unsigned long arg){
/*
* 定时器处理代码
*/
/* 如果需要定时器周期性运行的话就使用mod_timer
* 函数重新设置超时值并且启动定时器。
*/
mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
}
/* 初始化函数 */
void init(void){
init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000); /* 超时时间2秒 */
timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */
add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
}
/* 退出函数 */
void exit(void) {
del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
/* 或者使用 */
del_timer_sync(&timer);
}
有时候需要在内核中实现短延时，Linux内核提供了毫秒、微秒和纳秒延时函数，这三个函数如下表所示：
3. 实验程序编写
本实验使用内核定时器周期性的点亮和熄灭开发板上的 LED灯， LED灯的闪烁周期由内核定时器来设置，测试应用程序可以控制内核定时器周期
3.1 修改设备树文件
设备树节点信息的添加，可参考设备树下的LED驱动开发一文
3.2 定时器驱动程序编写
设备树准备好后就可以编写驱动程序了，新建“timer”文件夹，并在文件夹中创建vscode工程，新建 timer.c 文件，编写程序
#define TIMER_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define TIMER_NAME "timer" /* 名字 */
#define CLOSE_CMD (_IO(0XEF, 0x1)) /* 关闭定时器 */
#define OPEN_CMD (_IO(0XEF, 0x2)) /* 打开定时器 */
#define SETPERIOD_CMD (_IO(0XEF, 0x3)) /* 设置定时器周期命令 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
/* timer设备结构体 */
struct timer_dev{
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
struct device_node *nd; /* 设备节点 */
int led_gpio; /* key所使用的GPIO编号 */
int timeperiod; /* 定时周期,单位为ms */
struct timer_list timer;/* 定义一个定时器*/
spinlock_t lock; /* 定义自旋锁 */
};
struct timer_dev timerdev; /* timer设备 */
/*
* @description : 初始化LED灯IO，open函数打开驱动的时候
* 初始化LED灯所使用的GPIO引脚。
* @param : 无
* @return : 无
*/
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"); /* 请求IO */
ret = gpio_direction_output(timerdev.led_gpio, 1);
if(ret < 0) {
printk("can't set gpio!\r\n");
}
return 0;
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
int ret = 0;
filp->private_data = &timerdev; /* 设置私有数据 */
timerdev.timeperiod = 1000; /* 默认周期为1s */
ret = led_init(); /* 初始化LED IO */
if (ret < 0) {
return ret;
}
return 0;
}
/*
* @description : ioctl函数，
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - cmd : 应用程序发送过来的命令
* @param - arg : 参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
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: /* 关闭定时器 */
del_timer_sync(&dev->timer);
break;
case OPEN_CMD: /* 打开定时器 */
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: /* 设置定时器周期 */
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;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations timer_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = timer_open,
.unlocked_ioctl = timer_unlocked_ioctl,
};
/* 定时器回调函数 */
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，实现LED灯反转 */
gpio_set_value(dev->led_gpio, sta);
/* 重启定时器 */
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 : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init timer_init(void)
{
/* 初始化自旋锁 */
spin_lock_init(&timerdev.lock);
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (timerdev.major) { /* 定义了设备号 */
timerdev.devid = MKDEV(timerdev.major, 0);
register_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT, TIMER_NAME);
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&timerdev.devid, 0, TIMER_CNT, TIMER_NAME); /* 申请设备号 */
timerdev.major = MAJOR(timerdev.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
timerdev.minor = MINOR(timerdev.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
/* 2、初始化cdev */
timerdev.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&timerdev.cdev, &timer_fops);
/* 3、添加一个cdev */
cdev_add(&timerdev.cdev, timerdev.devid, TIMER_CNT);
/* 4、创建类 */
timerdev.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME);
if (IS_ERR(timerdev.class)) {
return PTR_ERR(timerdev.class);
}
/* 5、创建设备 */
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，设置定时器处理函数,还未设置周期，所有不会激活定时器 */
init_timer(&timerdev.timer);
timerdev.timer.function = timer_function;
timerdev.timer.data = (unsigned long)&timerdev;
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit timer_exit(void)
{
gpio_set_value(timerdev.led_gpio, 1); /* 卸载驱动的时候关闭LED */
del_timer_sync(&timerdev.timer); /* 删除timer */
#if 0
del_timer(&timerdev.tiemr);
#endif
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&timerdev.cdev);/* 删除cdev */
unregister_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT); /* 注销设备号 */
device_destroy(timerdev.class, timerdev.devid);
class_destroy(timerdev.class);
}
module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("andyxi");
3.3 测试程序编写
新建名为 timerApp.c的文件，并编写测试代码
/* 命令值 */
#define CLOSE_CMD (_IO(0XEF, 0x1)) /* 关闭定时器 */
#define OPEN_CMD (_IO(0XEF, 0x2)) /* 打开定时器 */
#define SETPERIOD_CMD (_IO(0XEF, 0x3)) /* 设置定时器周期命令 */
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, ret;
char *filename;
unsigned int cmd;
unsigned int arg;
unsigned char str[100];
if (argc != 2) {
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
fd = open(filename, O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("Can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
while (1) {
printf("Input CMD:");
ret = scanf("%d", &cmd);
if (ret != 1) { /* 参数输入错误 */
gets(str); /* 防止卡死 */
}
if(cmd == 1) /* 关闭LED灯 */
cmd = CLOSE_CMD;
else if(cmd == 2) /* 打开LED灯 */
cmd = OPEN_CMD;
else if(cmd == 3) {
cmd = SETPERIOD_CMD; /* 设置周期值 */
printf("Input Timer Period:");
ret = scanf("%d", &arg);
if (ret != 1) { /* 参数输入错误 */
gets(str); /* 防止卡死 */
}
}
ioctl(fd, cmd, arg); /* 控制定时器的打开和关闭 */
}
close(fd);
}
3.4 程序编译
- 修改Makefile编译目标变量
obj-m := timer.o
- 使用“make -j32”编译出驱动模块文件
make -j32
- 使用“arm-linux-gnueabihf-gcc”命令编译测试APP
arm-linux-gnueabihf-gcc timerApp.c -o timerApp
3.5 运行测试
- 将驱动文件和APP可执行文件拷贝至“rootfs/lib/modules/4.1.15”中
- 第一次加载驱动时，需使用“depmod”命令
depmod
- 使用“modprobe”命令加载驱动
modprobe timer.ko
-
使用“./timerApp /dev/timer "命令后，终端显示如下
-
输入“ 2”，打开定时器，此时 LED灯就会以默认的 1秒周期开始闪烁
-
输入“ 3” 来设置定时周期，根据提示输入要设置的周期值，输入“ 500”，表示设置定时器周期值为 500ms，设置好以后 LED灯就会以 500ms为间隔，开始闪烁
-
输入“ 1”，关闭定时器
-
使用”rmmod"命令卸载驱动
rmmod timer.ko
