linux驱动开发 - 08_内核定时器
文章目录
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- 1 Linux 时间管理和内核定时器简介
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- 1.1 内核时间管理简介
- 1.2 内核定时器简介
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- 1、init_timer 函数
- 2、add_timer 函数
- 3、del_timer 函数
- 4、del_timer_sync 函数
- 5、mod_timer 函数
- 1.3 Linux 内核短延时函数
- 2 实验程序编写
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- 2.1 定时器驱动程序编写
- 2.2 编写测试 APP
- 3 编译驱动程序和测试 APP
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- 3.1 编译驱动程序
- 3.2 编译测试 APP
- 4 运行测试
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1 Linux 时间管理和内核定时器简介
1.1 内核时间管理简介
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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。
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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)(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
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：
make menuconfig
-> Kernel Features
-> Timer frequency (<choice> [=y])
选中“Timer frequency”
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
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，编写 Linux驱动的时候会用到 HZ，因为 HZ 表示一秒的节拍数，也就是频率。
- 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;
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
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。
- 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，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
处理 32 位 jiffies 的绕回显得尤为重要，Linux 内核提供了几个 API 函数来处理绕回
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| time_after(unkown, known) | unkown 通常为 jiffies， known 通常是需要对比的值。 |
| time_before(unkown, known) | |
| time_after_eq(unkown, known) | |
| time_before_eq(unkown, known) |
- 如果 unkown 超过 known 的话， time_after 函数返回真 ，否则返回假。
- 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。
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。
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
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| int jiffies_to_msecs(const unsigned long j) | 将 jiffies 类型的参数 j 分别转换为对应的毫秒、 微秒、纳秒。 |
| int jiffies_to_usecs(const unsigned long j) | |
| u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j) | |
| long msecs_to_jiffies(const unsigned int m) | 将毫秒、微秒、纳秒转换为 jiffies 类型。 |
| long usecs_to_jiffies(const unsigned int u) | |
| unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n) |
1.2 内核定时器简介
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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。
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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 ，使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。
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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nclude/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;
};
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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。
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比如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)。
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function 就是定时器超时以后的定时处理函数，要做的工作就放到这个函数里面，需要编写这个定时处理函数。
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
- 内核定时器一般的使用流程
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);
}
1.3 Linux 内核短延时函数
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
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| void ndelay(unsigned long nsecs) | 纳秒、微秒和毫秒延时函数。 |
| void udelay(unsigned long usecs) | |
| void mdelay(unsigned long mseces) |
2 实验程序编写
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。
2.1 定时器驱动程序编写
#include - 函数 timer_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.
- 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。
2.2 编写测试 APP
测试 APP 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。
#include
* ./timerAPP /dev/timer
*/
#define CLOSE_CMD _IO(0XEF, 1) //关闭命令
#define OPEN_CMD _IO(0XEF, 2) //打开命令
#define SETPERIOD_CMD _IOW(0xEF, 3, int) //设置周期
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, ret;
char *filename;
unsigned char databuf[1];
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("file %s open failed!\r\n", filename);
return -1;
}
/* 循环读取 */
while(1) {
printf("Input CMD:");
ret = scanf("%d", &cmd);
if(ret !=1 ) {
gets(str); /* 防止卡死 */
}
if(cmd == 1) { /* 关闭 */
ioctl(fd, CLOSE_CMD, &arg);
} else if(cmd == 2) { /* 打开 */
ioctl(fd, OPEN_CMD, &arg);
} else if(cmd == 3) { /* 设置周期 */
printf("Input Timer period:");
ret = scanf("%d", &arg);
if(ret !=1 ) {
gets(str);
}
ioctl(fd, SETPERIOD_CMD, &arg);
}
}
close(fd);
return 0;
}
3 编译驱动程序和测试 APP
3.1 编译驱动程序
编写 Makefile 文件
KERNELDIR := /home/kaka/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := timer.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
arm-linux-gnueabihf-gcc timerAPP.c -o timerAPP
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
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。
3.2 编译测试 APP
arm-linux-gnueabihf-gcc timerAPP.c -o timerAPP
4 运行测试
将编译出来的led.ko和ledApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中 ，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
驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息
/lib/modules/4.1.15 # modprobe timer.ko
timerdev major=249,minor=0
led gpio num = 3
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
/lib/modules/4.1.15 # ./timerAPP /dev/timer
Input CMD:
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
Input CMD:3
Input Timer period:1000
输入“1000”，表示设置定时器周期值为 1000ms，设置好以后 LED 灯就会以 1000ms 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