引言
定时器是我们最常用到的功能,一般用来完成定时功能,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。
一、Linux内核定时器
1、jiffies
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;
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。
Linux 内核提供了几个 jiffies 和 ms、us、ns 之间的转换函数,如下表所示:
函数 | 描述 |
---|---|
int jiffies_to_msecs(const unsigned long j) | |
int jiffies_to_usecs(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。 |
u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j) | |
long msecs_to_jiffies(const unsigned int m) | |
long usecs_to_jiffies(const unsigned int u) | 将毫秒、微秒、纳秒转换为 jiffies 类型。 |
unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n) |
2、内核定时器函数
Linux 内核定时器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。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;
};
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。
3、内核短延时函数
函数 | 描述 |
---|---|
void ndelay(unsigned long nsecs) | |
void udelay(unsigned long usecs) | 纳秒、微秒和毫秒延时函数。 |
void mdelay(unsigned long mseces) |
二、程序编写
1、驱动程序编写
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#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 */
/*
* @description : 初始化LED灯IO,open函数打开驱动的时候
* 初始化LED灯所使用的GPIO引脚。
* @param : 无
* @return : 无
*/
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;
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
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;
}
/*
* @description : ioctl函数,
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - cmd : 应用程序发送过来的命令
* @param - arg : 参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
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,
};
/* 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));
}
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
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;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
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 */
gpio_free(timerdev.led_gpio);
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");
2、测试APP编写
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "linux/ioctl.h"
/* 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:");
scanf("%d", &cmd);
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:");
scanf("%d", &arg);
}
ioctl(fd, cmd, arg); /* 控制定时器的打开和关闭 */
}
close(fd);
}
三、运行测试
1、编译驱动程序
KERNELDIR := /home/sh/Desktop/MUL/zimage
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := timer.o
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) clean
输入如下命令编译出驱动模块文件:
make
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。
3、运行测试
输入如下命令加载 timer.ko 驱动模块:
insmod 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,如下图所示:
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,如下图所示:
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。