Linux 内核定时器实验

 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就是定时器。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)。

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;
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

其中jiffies_64用于64为系统，jiffies用于32位系统。为了硬件的兼容性他们的关系如下：

 其实读取jiffies变量也就是读取jiffies_64的低32位。jiffies表示系统运行的节拍数，而系统每过1s就会增加设置的节拍数，因此系统运行时间就是jiffies/节拍数。Linux提供了以下几个函数来判断绕回： 

time_after:   当unkown超过known的时候函数返回值为真。                                       timer_before:   当unkown未超过known的时候函数返回值为真。
timer_after_eq(unkown,known):  当unkown等于known的时候函数返回值为真。
timer_before_eq(unkown,known):  当unkown不等于known的时候函数返回值为真。

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

 

一、内核定时器

Linux 内核定时器采用系统时钟来实现，与硬件定时器功能一样，当超时时间到了以后设
置的定时处理函数就会执行。内核定时器不需要一大堆寄存器的配置工作，并且内核定时器执行完超时处理函数以后就会自动关闭。若需要周期运行，则需要在处理函数中再次打开内核定时器。

内核定时器和硬件定时器共同点：
① 超时时间到了以后，会执行处理函数
不同点:
① 内核定时器不需要配置寄存器，硬件定时器需要配置对应寄存器。
② 内核定时器只执行一次处理函数，若需要周期执行，需要在处理函数中再次打开。硬件定时器会周期执行处理函数。
 

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

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。

二、内核定时器API函数

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。

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);
 }

三、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

 

四、定时器实验代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
 
#define TIMER_COUNT 1
#define TIMER_NAME "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) /*设置周期命令*/
 
 
/*设备结构体*/
struct timer_dev{
    dev_t devid;    /*设备号*/
    int major;  /*主设备号*/
    int minor;  /*次设备号*/
    struct cdev cdev;   /*字符设备*/
    struct class *class;    /*创建类*/
    struct device *device;  /*创建设备*/
    struct device_node *node; /*设备节点*/
    int led_gpio;   /*led号*/
    int timerperiod; /*周期时间*/
    struct timer_list timer; /*定时器*/
    spinlock_t lock; /* 定义自旋锁 */
};
 
 
struct timer_dev timer;
 
 
static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    filp->private_data = &timer; /* 设置私有数据 */
    return 0;
}
 
static long timer_ioctl(struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned long arg){
    int ret = 0;
    int value = 0;
    struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)filp->private_data;
 
 
    switch(cmd) {
    case CLOSE_CMD:
        del_timer_sync(&dev->timer);
        break;
    case OPEN_CMD:
        mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod));
        break;
    case SETPERIOD_CMD:
        ret = copy_from_user(&value, (int *)arg, sizeof(int));
        if(ret < 0){
            return -EFAULT;
        }
        dev->timerperiod = value;
        mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod));
        break;
    }
    return ret;
}
 
static int timer_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    
    return 0;
}
 
 
 
static const struct file_operations timer_fops = { /*字符设备操作函数集合*/
    .owner = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl = timer_ioctl,
    .open = timer_open,
    .release = timer_release,
    
};
 
/*定时器超市处理函数*/
static void timer_func(unsigned long arg) {
    struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)arg;
    static int sta = 1;
    unsigned long flags;
 
    sta = !sta;
    spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);
    gpio_set_value(dev->led_gpio, sta);
    spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);
    mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod));
 
}
 
/*初始化LED灯*/
int led_init(struct timer_dev *dev){
        int ret = 0;
 
       /*获取设备节点*/
        dev->node = of_find_node_by_path("/gpioled");
        if(dev->node == NULL){    /*寻找节点失败*/
            ret = -EINVAL;
            goto failed_findnode;
        }
 
        /*获取led所对应的gpio*/
        dev->led_gpio = of_get_named_gpio(dev->node, "led-gpios", 0);
        if(dev->led_gpio < 0){
            printk("can't find led gpio \r\n");
            ret = -EINVAL;
            goto failed_findnode;
        }
 
        printk("led gpio num = %d \r\n",dev->led_gpio);
 
        /*申请gpio*/
        ret = gpio_request(dev->led_gpio, "led-gpios");
        if(ret){
            printk("Failed to request gpio \r\n");
            ret = -EINVAL;
            goto failed_findnode;
        }
 
        /*使用IO，申请为输出*/
        ret = gpio_direction_output(dev->led_gpio, 1); /*设置为输出，高电平不点亮*/
        if(ret < 0){
            goto failed_setoutput;
        }
 
 
 
        return 0;
 
failed_setoutput:
        gpio_free(dev->led_gpio);
failed_findnode:
        device_destroy(dev->class, dev->devid);
        return ret;
}
 
/*入口函数*/
static int __init timer_init(void){
    int ret = 0;
 
    /* 初始化自旋锁 */
spin_lock_init(&timer.lock);
 
    /*注册字符设备*/
    timer.major = 0;     /*内核自动申请设备号*/
    if(timer.major){     /*如果定义了设备号*/
        timer.devid = MKDEV(timer.major, 0);
        ret = register_chrdev_region(timer.devid, TIMER_COUNT, TIMER_NAME); 
    }
    else{   /*否则自动申请设备号*/
        ret = alloc_chrdev_region(&timer.devid, 0, TIMER_COUNT, TIMER_NAME);
        timer.major = MAJOR(timer.devid); /*保存主设备号*/
        timer.minor = MINOR(timer.devid); /*保存次设备号*/
    }
    if(ret < 0){
        goto failed_devid;
    }
    printk("timerdev major = %d minor = %d \r\n",timer.major,timer.minor);  /*打印主次设备号*/
 
    /*添加字符设备*/
    timer.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&timer.cdev, &timer_fops);
    ret = cdev_add(&timer.cdev, timer.devid, TIMER_COUNT);
    if(ret < 0){    /*添加字符设备失败*/
        goto failed_cdev;
    }
 
    /*自动添加设备节点*/
    /*创建类*/
    timer.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME); /*class_creat(owner,name);*/
    if(IS_ERR(timer.class)){   /*判断是否创建类成功*/
        ret = PTR_ERR(timer.class);
        goto failed_class;
    }
 
    /*创建设备*/
 
    timer.device = device_create(timer.class, NULL, timer.devid, NULL, TIMER_NAME);
     if(IS_ERR(timer.device)){   /*判断是否创建类成功*/
        ret = PTR_ERR(timer.device);
        goto failed_device;
    }
 
    /*初始化led*/
    ret = led_init(&timer);
    if(ret < 0){
        goto failed_ledinit;
    }
 
    /*初始化定时器*/
    init_timer(&timer.timer);
    timer.timerperiod = 500;
    timer.timer.function = timer_func;  /*定时器超时处理函数*/
    timer.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod);/*超时时间*/
    timer.timer.data = (unsigned long)&timer;   /*将指针变量强制转化为unsigned long类型*/
 
    add_timer(&timer.timer);    /*添加定时器*/
 
    return 0;
 
 
failed_ledinit:
failed_device:
    class_destroy(timer.class);
failed_class:
    cdev_del(&timer.cdev);
failed_cdev:
    unregister_chrdev_region(timer.devid, TIMER_COUNT);
failed_devid:
    return ret;
}
 
/*出口函数*/
static void __exit timer_exit(void){
 
    /*删除定时器*/
    del_timer(&timer.timer);
 
    gpio_free(timer.led_gpio);
    /*注销字符设备*/
    cdev_del(&timer.cdev);
    /*卸载设备*/
    unregister_chrdev_region(timer.devid, TIMER_COUNT);
 
    device_destroy(timer.class, timer.devid);
    class_destroy(timer.class);
 
}
 
 
/*模块入口和出口*/
module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hsj");