正点原子嵌入式linux驱动开发——Linux内核定时器
定时器是最常用到的功能，一般用来完成定时功能，本章就来学习一下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
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，正点原子的教程也没有研究Linux内核，但是在Cortex-A7内核中有个通用定时器，就有可能是用这个，但是并不确定，可以自行研究Linux内核。
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100Hz、1000Hz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，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 ( [=y]) |
选中“Timer frequency”，打开后如下图所示：
从上图可以看出，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，在此文件中有如下图所示定义：
上图中的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：
第7行定义了一个宏HZ，宏HZ就是 CONFIG_HZ，因此HZ=100，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。
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：
- 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。
- 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：
第80行，定义了一个64位的jiffies_64。
第81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的结构如下图所示：
当访问jiffies的时候其实访问的是jiffies_64的低3位，使用get_jiffies_64这个函数可以获取jiffies_64的值。在32位的系统上读取的是jiffies，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内核提供了如下图所示的几个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：
示例代码30.1.1.3 使用jiffies判断超时
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，如下图所示：
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。 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：
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+(2*HZ)，因此expires=jiffies+(2*HZ)。 function就是定时器超时以后的定时处理函数，需要自行编写这个定时处理函数，function函数的形参就是定义的timer_list变量。
定义好定时器之后还需要通过一系列API函数来初始化定时器，如下：
timer_setup函数
timer_setup函数负责初始化timer_list类型变量，当定义了一个timer_list变量以后一定要先用timer_setup初始化一下。timer_setup函数原型如下：
void timer_setup(struct timer_list *timer, void (*func)(struct timer_list *), unsigned int flags)
函数参数和返回值含义如下：
- timer：要初始化定时器。
- func：定时器的回调函数，此函数的形参是当前定时器的变量。
- flags: 标志位，直接给0就行。
- 返回值：没有返回值。
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。
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。
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。
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。
一般定时器的使用方法如下例子所示：
示例代码30.1.2.2 内核定时器使用方法演示
1 struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
2
3 /* 定时器回调函数 */
4 void function(struct timer_list *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 timer_setup(&timerdev.timer, timer_function, 0); /* 初始化定时器 */
20 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间2秒 */
21 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
22 }
23
24 /* 退出函数 */
25 void exit(void)
26 {
27 del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
28 /* 或者使用 */
29 del_timer_sync(&timer);
30 }
Linux内核短延时函数
有时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、纳秒延时函数，如下图所示：
硬件原理图分析
这里通过定时器来周期性的控制LED，所以硬件就是LED灯，之前已经有过了，这里不再赘述。
实验程序编写
本章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。
修改设备树文件
这个直接用之前的LED灯节点就可以了。
定时器驱动程序编写
总体结构就是在之前的LED驱动上进行修改，因为最终操作的GPIO就是与LED连接的IO口。
首先需要定义一个设备结构体timer_dev，在这其中，需要定义timeperiod时钟周期，单位ms；还需要定义一个struct timer_list timer这么一个定时器，最后加一个spinlock_t lock定义自旋锁。之后struct timer_dev timerdev具象化一个timer设备。
之后需要定义一个timer_open，在其中设置设备结构体为私有数据filp->private_data=&timerdev，然后通过这个结构体，设置其中的成员变量timeperiod=1000表示周期为1s，然后调用led_init初始化LED的GPIO口。
之后需要定义一个timer_unlocked_ioctl函数，对应的就是应用程序的ioctl函数，应用程序调用该函数来向驱动发送控制信息，此函数会响应并执行。这个函数一共有三个：filp，cmd和arg，filp就是设备文件，cmd就是应用程序的命令，arg就是发来的参数，这里的arg就是定时周期。这里定义了3种cmd：CLOSE_CMD就是关闭定时器，直接通过del_timer_sync关闭；OPEN_CMD就是打开定时器，这里需要先通过spin_lock_irqsave上锁，然后设置timerperiod，设置完后通过spin_unlock_irqrestore解锁，通过mod_timer修改定时值并激活定时器；SETPERIOD_CMD就是设置定时周期，流程与OPEN_CMD中类似，只不过通过dev->timeperiod=arg，传入arg参数修改设备文件中的周期变量，最后就是mod_timer重启定时器。
在设备操作函数file_operations，命名为timer_fops，这其中要设置.unlocked_ioctl这个成员变量为自己写的timer_unlocked_ioctl。
之后还需要写一个timer_function作为定时器回调函数，每次进入这个函数，相当于裸机开发进入定时中断，通过static设置一个状态sta，每次取反然后gpio_set_value来设置LED的闪烁。这里需要注意，需要通过设置一个timer_dev的结构体指针*dev，通过from_timer(dev,arg,timer)来获取设备文件，这里from_timer其实就是一个宏定义，是对container_of的封装，而这个函数就是通过给定结构体的某成员变量地址、该结构体类型和成员名字来得到结构体变量的首地址。之后需要自旋锁上锁，重新设置timerperiod，解锁后再次mod_timer开启定时器。
在timer_init中，需要通过spin_lock_init初始化自旋锁，之后的都是走流程，最后通过timer_setup初始化timer，定时处理函数就是自行编写的timer_function，标志位为0，这里需要注意，这里并没有调用timer_add开启定时器，激活是在之前的timer_open中通过mod_timer激活，相当于是应用程序发送打开命令。
最后驱动出口函数timer_exit，这里面调用del_timer_sync删除定时器，然后就是注销字符设备驱动。
编写测试APP
测试APP需要有以下功能：
- 运行APP以后提示输入要测试的命令，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。
- 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。
这里跟之前的区别就是，通过open打开设备之后，就进入while(1)循环，通过scanf扫描输入的内容，然后通过if语句判断情况，来执行对应的操作。
运行测试
编译驱动程序
Makefile一直是差不多的，修改一下obj-m为timer.o，然后“make”就可以了。
编译测试APP
通过如下命令编译：
| arm-none-linux-gnueabihf-gcc timerApp.c -o timerApp |
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/5.4.31目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/5.4.31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 |
加载成功后通过如下命令测试：
| ./timerApp /dev/timer |
之后就可以通过之前APP中设置的if条件来输入对应指令观察LED变化情况了。卸载驱动可以通过如下命令：
| rmmod timer.ko |
总结
这一张的内容跟FreeRTOS的软件定时器是很类似的，都是相当于通过软件来调用一个定时器，不像裸机开发一样去开启中断，通过软件来完成定时操作。
首先需要打开Linux内核的内核时间管理，可以通过“make menuconfig”打开图形化界面，然后子安->Kernel Features->Timer frequency中配置系统节拍，一般都是直接选用默认的100Hz。
在进行驱动开发的时候，需要在设备结构体中，添加定时周期和定时器，定义一个timer_list结构体。然后需要定义一个打开定时器的timer_open，传入设备文件之后，设定好定时周期；然后在ioctl函数中，通过传入的cmd以及arg来进行定时器参数的修改(需要先自旋锁上锁然后修改，改完解锁)，最后均通过mod_timer修改并激活定时器；编写回调函数，通过from_timer传入dev、arg、timer来获取设备文件，编写驱动逻辑然后mod_timer重启定时器；在最后的驱动入口函数中，流程走完最后通过timer_setup初始化定时器。