Linux 内核定时器实验

Posted 2021-12-09 行稳方能走远

目录

• Linux 时间管理和内核定时器简介
• • 内核时间管理简介
  • 内核定时器简介
  • Linux 内核短延时函数
• 硬件原理图分析
• 实验程序编写
• • 修改设备树文件
  • 定时器驱动程序编写
  • 编写测试APP
• 运行测试
• • 编译驱动程序和测试APP
  • 运行测试

定时器是我们最常用到的功能，一般用来完成定时功能，本章我们就来学习一下Linux 内核提供的定时器API 函数，通过这些定时器API 函数我们可以完成很多要求定时的应用。Linux内核也提供了短延时函数，比如微秒、纳秒、毫秒延时函数，本章我们就来学习一下这些和时间有关的功能。

Linux 时间管理和内核定时器简介

内核时间管理简介

学习过UCOS 或FreeRTOS 的同学应该知道，UCOS 或FreeRTOS 是需要一个硬件定时器提供系统时钟，一般使用Systick 作为系统时钟源。同理，Linux 要运行，也是需要一个系统时钟的，至于这个系统时钟是由哪个定时器提供的，笔者没有去研究过Linux 内核，但是在Cortex-A7 内核中有个通用定时器，在《Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf》的“9:Generic Timer”
章节有简单的讲解，关于这个通用定时器的详细内容，可以参考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的“chapter B8 The Generic Timer”章节。这个通用定时器是可选的，按照笔者学习FreeRTOS 和STM32 的经验，猜测Linux 会将这个通用定时器作为Linux 系统时钟源(前提是SOC 得选配这个通用定时器)。具体是怎么做的笔者没有深入研究过，这里仅仅是猜测！不过对于我们Linux 驱动编写者来说，不需要深入研究这些具体的实现，只需要掌握相应的API 函数即可，除非你是内核编写者或者内核爱好者。

Linux 内核中有大量的函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序、对于我们驱动编写者来说最常用的定时器。硬件定时器提供时钟源，时钟源的频率可以设置，设置好以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)(有的资料也叫系统频率)，比如1000Hz，100Hz 等等说的就是系统节拍
率。系统节拍率是可以设置的，单位是Hz，我们在编译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])

选中“Timer frequency”，打开以后如图50.1.1.1 所示：

从图50.1.1.1 可以看出，可选的系统节拍率为100Hz、200Hz、250Hz、300Hz、500Hz 和1000Hz，默认情况下选择100Hz。设置好以后打开Linux 内核源码根目录下的.config 文件，在此文件中有如图50.1.1.2 所示定义：

图50.1.1.2 中的CONFIG_HZ 为100，Linux 内核会使用CONFIG_HZ 来设置自己的系统时钟。打开文件include/asm-generic/param.h，有如下内容：

6 # undef HZ
7 # define HZ CONFIG_HZ
8 # define USER_HZ 100
9 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)

第7 行定义了一个宏HZ，宏HZ 就是CONFIG_HZ，因此HZ=100，我们后面编写Linux驱动的时候会常常用到HZ，因为HZ 表示一秒的节拍数，也就是频率。

大多数初学者看到系统节拍率默认为100Hz 的时候都会有疑问，怎么这么小？100Hz 是可选的节拍率里面最小的。为什么不选择大一点的呢？这里就引出了一个问题：高节拍率和低节拍率的优缺点：
①、高节拍率会提高系统时间精度，如果采用100Hz 的节拍率，时间精度就是10ms，采用1000Hz 的话时间精度就是1ms，精度提高了10 倍。高精度时钟的好处有很多，对于那些对时间要求严格的函数来说，能够以更高的精度运行，时间测量也更加准确。
②、高节拍率会导致中断的产生更加频繁，频繁的中断会加剧系统的负担，1000Hz 和100Hz的系统节拍率相比，系统要花费10 倍的“精力”去处理中断。中断服务函数占用处理器的时间增加，但是现在的处理器性能都很强大，所以采用1000Hz 的系统节拍率并不会增加太大的负载压力。根据自己的实际情况，选择合适的系统节拍率，本教程我们全部采用默认的100Hz 系统节拍率。

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：

76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

第76 行，定义了一个64 位的jiffies_64。
第77 行，定义了一个unsigned long 类型的32 位的jiffies。jiffies_64 和jiffies 其实是同一个东西，jiffies_64 用于64 位系统，而jiffies 用于32 位系统。

为了兼容不同的硬件，jiffies 其实就是jiffies_64 的低32 位，jiffies_64 和jiffies 的结构如图50.1.1.3 所示：

当我们访问jiffies 的时候其实访问的是jiffies_64 的低32 位，使用get_jiffies_64 这个函数可以获取jiffies_64 的值。在32 位的系统上读取jiffies 的值，在64 位的系统上jiffes 和jiffies_64表示同一个变量，因此也可以直接读取jiffies 的值。所以不管是32 位的系统还是64 位系统，都可以使用jiffies。

前面说了HZ 表示每秒的节拍数，jiffies 表示系统运行的jiffies 节拍数，所以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，因此有些资料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 内核提供了如表50.1.1.1 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。比如我们要判断某段代码执行时间有没有超时，此时就可以使用如下所示代码：

1 unsigned long timeout;
2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点*/
3
4 /*************************************
5 具体的代码
6 ************************************/
7
8 /* 判断有没有超时*/
9 if(time_before(jiffies, timeout)) {
10 /* 超时未发生*/
11 } else {
12 /* 超时发生*/
13 }

timeout 就是超时时间点，比如我们要判断代码执行时间是不是超过了2 秒，那么超时时间点就是jiffies+(2*HZ)，如果jiffies 大于timeout 那就表示超时了，否则就是没有超时。第4~6 行就是具体的代码段。第9 行通过函数time_before 来判断jiffies 是否小于timeout，如果小于的话就表示没有超时。

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，如表50.1.1.2所示：

内核定时器简介

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，并不是我们在裸机篇中讲解的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，和我们使用硬件定时器的套路一样，只是使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。在使用内核定时器的时候要注意一点，内核定时器并不是周期性运行的，超时以后就会自动关闭，因此如果想要实现周期性定时，那么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(省略掉条件编译)：

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，tiemr_list 结构体的expires 成员变量表示超时时间，单位为节拍数。比如我们现在需要定义一个周期为2 秒的定时器，那么这个定时器的超时时间就是jiffies+(2HZ)，因此expires=jiffies+(2HZ)。function 就是定时器超时以后的定时处理函数，我们要做的工作就放到这个函数里面，需要我们编写这个定时处理函数。

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：
1、init_timer 函数
init_timer 函数负责初始化timer_list 类型变量，当我们定义了一个timer_list 变量以后一定要先用init_timer 初始化一下。init_timer 函数原型如下：

void init_timer(struct timer_list *timer)

函数参数和返回值含义如下：
timer：要初始化定时器。
返回值：没有返回值。

2、add_timer 函数
add_timer 函数用于向Linux 内核注册定时器，使用add_timer 函数向内核注册定时器以后，定时器就会开始运行，函数原型如下：

void add_timer(struct timer_list *timer)

函数参数和返回值含义如下：
timer：要注册的定时器。
返回值：没有返回值。
3、del_timer 函数
del_timer 函数用于删除一个定时器，不管定时器有没有被激活，都可以使用此函数删除。
在多处理器系统上，定时器可能会在其他的处理器上运行，因此在调用del_timer 函数删除定时器之前要先等待其他处理器的定时处理器函数退出。del_timer 函数原型如下：

int del_timer(struct timer_list * timer)

函数参数和返回值含义如下：
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。
4、del_timer_sync 函数
del_timer_sync 函数是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，del_timer_sync 不能使用在中断上下文中。del_timer_sync 函数原型如下所示：

int del_timer_sync(struct timer_list *timer)

函数参数和返回值含义如下：
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。
5、mod_timer 函数
mod_timer 函数用于修改定时值，如果定时器还没有激活的话，mod_timer 函数会激活定时器！函数原型如下：

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)

函数参数和返回值含义如下：
timer：要修改超时时间(定时值)的定时器。
expires：修改后的超时时间。
返回值：0，调用mod_timer 函数前定时器未被激活；1，调用mod_timer 函数前定时器已被激活。
关于内核定时器常用的API 函数就讲这些，内核定时器一般的使用流程如下所示：

1 struct timer_list timer; /* 定义定时器*/
2
3 /* 定时器回调函数*/
4 void function(unsigned long arg)
5 {
6 /*
7 * 定时器处理代码
8 */
9
10 /* 如果需要定时器周期性运行的话就使用mod_timer
11 * 函数重新设置超时值并且启动定时器。
12 */
13 mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
14 }
15
16 /* 初始化函数*/
17 void init(void)
18 {
19 init_timer(&timer); /* 初始化定时器*/
20
21 timer.function = function; /* 设置定时处理函数*/
22 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间2秒*/
23 timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数*/
24
25 add_timer(&timer); /* 启动定时器*/
26 }
27
28 /* 退出函数*/
29 void exit(void)
30 {
31 del_timer(&timer); /* 删除定时器*/
32 /* 或者使用*/
33 del_timer_sync(&timer);
34 }

Linux 内核短延时函数

有时候我们需要在内核中实现短延时，尤其是在Linux 驱动中。Linux 内核提供了毫秒、微秒和纳秒延时函数，这三个函数如表50.1.3.1 所示：

硬件原理图分析

本章使用通过设置一个定时器来实现周期性的闪烁LED 灯，因此本章例程就使用到了一个LED 灯，关于LED 灯的硬件原理图参考参考8.3 小节即可。

实验程序编写

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 12_timer。
本章实验我们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。

修改设备树文件

本章实验使用到了LED 灯，LED 灯的设备树节点信息使用45.4.1 小节创建的即可。

定时器驱动程序编写

新建名为“12_timer”的文件夹，然后在12_timer 文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“timer”。工程创建好以后新建timer.c 文件，在timer.c 里面输入如下内容：

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <linux/cdev.h>
10 #include <linux/device.h>
11 #include <linux/of.h>
12 #include <linux/of_address.h>
13 #include <linux/of_gpio.h>
14 #include <linux/semaphore.h>
15 #include <linux/timer.h>
16 #include <asm/mach/map.h>
17 #include <asm/uaccess.h>
18 #include <asm/io.h>
19 /***************************************************************
20 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
21 文件名: timer.c
22 作者: 左忠凯
23 版本: V1.0
24 描述: Linux内核定时器实验
25 其他: 无
26 论坛: www.openedv.com
27 日志: 初版V1.0 2019/7/24 左忠凯创建
28 ***************************************************************/

第38~50 行，定时器设备结构体，在48 行定义了一个定时器成员变量timer。
第60~82 行，LED 灯初始化函数，从设备树中获取LED 灯信息，然后初始化相应的IO。
第91~102 行，函数timer_open，对应应用程序的open 函数，应用程序调用open 函数打开/dev/timer 驱动文件的时候此函数就会执行。此函数设置文件私有数据为timerdev，并且初始化定时周期默认为1 秒，最后调用led_init 函数初始化LED 所使用的IO。
第111~137 行，函数timer_unlocked_ioctl，对应应用程序的ioctl 函数，应用程序调用ioctl函数向驱动发送控制信息，此函数响应并执行。此函数有三个参数：filp，cmd 和arg，其中filp是对应的设备文件，cmd 是应用程序发送过来的命令信息，arg 是应用程序发送过来的参数，在本章例程中arg 参数表示定时周期。
一共有三种命令CLOSE_CMD，OPEN_CMD 和SETPERIOD_CMD，这三个命令分别为关闭定时器、打开定时器、设置定时周期。这三个命令的左右如下：
CLOSE_CMD：关闭定时器命令，调用del_timer_sync 函数关闭定时器。
OPEN_CMD：打开定时器命令，调用mod_timer 函数打开定时器，定时周期为timerdev 的timeperiod 成员变量，定时周期默认是1 秒。
SETPERIOD_CMD：设置定时器周期命令，参数arg 就是新的定时周期，设置timerdev 的timeperiod 成员变量为arg 所表示定时周期指。并且使用mod_timer 重新打开定时器，使定时器以新的周期运行。
第140~144 行，定时器驱动操作函数集timer_fops。
第147~162 行，函数timer_function，定时器服务函数，此函有一个参数arg，在本例程中arg 参数就是timerdev 的地址，这样通过arg 参数就可以访问到设备结构体。当定时周期到了以后此函数就会被调用。在此函数中将LED 灯的状态取反，实现LED 灯闪烁的效果。因为内核定时器不是循环的定时器，执行一次以后就结束了，因此在161 行又调用了mod_timer 函数重
新开启定时器。
第169~ 209 行，函数timer_init，驱动入口函数。在第205~207 行初始化定时器，设置定时器的定时处理函数为timer_function，另外设置要传递给timer_function 函数的参数为timerdev的地址。在此函数中并没有调用timer_add 函数来开启定时器，因此定时器默认是关闭的，除非应用程序发送打开命令。
第216~231 行，驱动出口函数，在219 行关闭LED，也就是卸载驱动以后LED 处于熄灭状态。第220 行调用del_timer_sync 函数删除定时器，也可以使用del_timer 函数。

编写测试APP

测试APP 我们要实现的内容如下：
①、运行APP 以后提示我们输入要测试的命令，输入1 表示关闭定时器、输入2 表示打开定时器，输入3 设置定时器周期。
②、如果要设置定时器周期的话，需要让用户输入要设置的周期值，单位为毫秒。
新建名为timerApp.c 的文件，然后输入如下所示内容：

1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "fcntl.h"
6 #include "stdlib.h"

第22~24 行，命令值。
第53~73 行，while(1)循环，让用户输入要测试的命令，然后通过第72 行的ioctl 函数发送给驱动程序。如果是设置定时器周期命令SETPERIOD_CMD，那么ioctl 函数的arg 参数就是用户输入的周期值。

运行测试

编译驱动程序和测试APP

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为timer.o，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := timer.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为timer.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“timer.ko”的驱动模块文件。

2、编译测试APP
输入如下命令编译测试timerApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc timerApp.c -o timerApp

编译成功以后就会生成timerApp 这个应用程序。

运行测试

将上一小节编译出来的timer.ko 和timerApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载timer.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe timer.ko //加载驱动

驱动加载成功以后如下命令来测试：

./timerApp /dev/timer

输入上述命令以后终端提示输入命令，如图50.4.2.1 所示：

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。在输入“3”来设置定时周期，根据提示输入要设置的周期值，如图50.4.2.2 所示：

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。最后可以通过输入“1”来关闭定时器，如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod timer.ko