嵌入式Linux开发25——Linux 内核定时器实验
文章目录
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- Linux 时间管理和内核定时器简介
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- 1.内核时间管理简介
- 2.内核定时器简介
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- 2.1 init_timer 函数
- 2.2 add_timer 函数
- 2.3 del_timer 函数
- 2.4 del_timer_sync 函数
- 2.5 mod_timer 函数
- 3. Linux 内核短延时函数
- 定时器驱动程序编写
定时器是我们最常用到的功能，一般用来完成定时功能，本章我们就来学习一下 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，接下来我们就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
1.内核时间管理简介
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、对于我们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 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，我们在编译 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：
从图中可以看出，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：
# undef HZ
# define HZ CONFIG_HZ
# define USER_HZ 100
# define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)
定义了一个宏 HZ，宏 HZ 就是 CONFIG_HZ，因此 HZ=100，我们后面编写 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。
大多数初学者看到系统节拍率默认为 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，本文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：
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，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。
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 内核提供了如表所示的几个 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。比如我们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：
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 */
}
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。
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，如表所示：
2.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，并不是PIT等硬件定时器。 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，和我们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（省略条件编译）：
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;
};
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。比如我们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+(2HZ)，因此 expires=jiffies+(2HZ)。 function 就是定时器超时以后的定时处理函数，我们要做的工作就放到这个函数里面，需要我们编写这个定时处理函数。
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：
2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
2.5 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。
关于内核定时器常用的 API 函数就讲这些，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);
}
3. 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，这三个函数如表所示：
定时器驱动程序编写
timer.c：
#include timerApp.c:
#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:");
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);
}
运行测试：
