如何使用 Linux 内核定时器
  6wMu8YsGmK1i 2023年11月02日 75 0


1. Linux内核定时器介绍

1.1 内核时间管理

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，也叫节拍率 (tick rate)，节拍率是可设置的，在编译内核时可通过图形化界面设置，按照如下路径打开配置界面：

-> Kernel Features
	-> Timer frequency (<choice>[=y])

默认系统节拍率为100Hz，内核使用全局变量jiffies来记录系统从启动以来的节拍数，系统启动时会将jiffies初始化为0，定义在文件include/linux/jiffies.h中：

extern u64 __jiffy_data jiffies_64;  //定义64位的jiffies_64，用于64位系统
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;  //32位的，用于32位系统

如何使用 Linux 内核定时器_kernel


HZ表示每秒的节拍数，因此jiffies/HZ就是系统运行时间，单位为秒。jiffies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，即绕回

当HZ为1000时，32位的jiffies需49.7天就发生了绕回，64位的jiffies则要5.8亿年才能绕回，可忽略不计。因此32位jiffies的绕回是需要进行处理的，内核提供了如下API函数来处理绕回

time_after (jiffies, timeout) ；//若jiffies>timeout，返回真，否则返回假
time_after_eq (jiffies, timeout)
time_before (jiffies, timeout) ；//若jiffies<timeout，返回真，否则返回假
time_before_eq (jiffies, timeout)

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 */
}

Linux内核提供了几个jiffies和ms、us、ns之间的转换函数，如下图示

如何使用 Linux 内核定时器_timer_02

1.2 内核定时器

定时器是一个常用的功能，需要周期性处理的工作都会用到。内核定时器采用系统时钟来实现，而不是PIT等硬件定时器。内核定时器使用简单，只需提供超时时间和定时处理函数即可，当超时时间到后定时处理函数就会执行

内核定时器并不是周期性运行的，超时后会自动关闭，若要实现周期性定时，就需要在定时处理函数中重新开启定时器。使用timer_list结构体表示内核定时器，其定义在文件include/linux/timer.h中：

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; 
};

内核提供了一系列的API函数来操作定时器，下图为相关API函数及内核定时器使用流程

如何使用 Linux 内核定时器_设备号_03

2. 内核定时器点灯实例

本文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，应用程序可以控制内核定时器周期

2.1 修改设备树文件

  • 添加pinctrl节点：在iomuxc节点的imx6ul-evk子节点下创建pinctrl_led节点，复用GPIO1_IO03
pinctrl_led: ledgrp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10B0
    >;
};
  • 添加LED设备节点：在根节点下创建LED设备节点，指定对应的pinctrl节点，指定所使用的GPIO
gpioled {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    compatible = "andyxi-gpioled";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;
    led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    status = "okay";
};
  • 检查PIN是否冲突：检查pinctrl和设备节点中指定的引脚有没有被占用
//检查GPIO_IO03这个PIN有没有被其他的pinctrl节点使用
pinctrl_tsc: tscgrp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO01__GPIO1_IO01 0xb0
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO02__GPIO1_IO02 0xb0
        //GPIO_IO03被pinctrl_tsc节点占用，因此需要屏蔽掉
        /* MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0xb0 */ 
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO04__GPIO1_IO04 0xb0
    >;
};
//检查"gpio1 3"有没有被其他设备节点占用
&tsc {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_tsc>;
    //"gpio1 3"被tsc设备节点占用，因此需要屏蔽掉
    /* xnur-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>; */
    measure-delay-time = <0xffff>;
    pre-charge-time = <0xfff>;
    status = "okay";
};
  • 编译设备树：编译并使用该设备树启动Linux系统
#在内核根目录下
make dtbs  #编译设备树
#启动Linux系统后
cd /proc/device-tree #查看"gpioled"节点是否存在

2.2 编写驱动程序

设备树准备好后就可以编写驱动程序了，新建timer.c文件，并编写程序

  • 定义定时器设备结构体，并编写LED初始化函数
#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 */

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;
}
  • 打开定时器设备时，调用LED初始化函数初始化IO
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;
}
  • 编写定时器ioctl函数，根据不同命令做不同的操作
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,
};
  • 编写定时器回调函数，实现IO操作
/* 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)); 
 }
  • 驱动入口和出口函数中，创建和注销定时器设备
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;
}

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");

2.3 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);
}

2.4 程序编译

  • 编译驱动程序：当前目录下创建Makefile文件，并make编译
KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := timer.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
  • 编译测试程序：无需内核参与，直接编译即可
arm-linux-gnueabihf-gcc timerApp.c -o timerApp
  • 运行测试：启动开发板后，加载驱动模块，输入命令实现LED周期性闪烁



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