Linux 内核定时器实验

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Linux 时间管理和内核定时器简介

50.1.1 内核时间管理简介
    学习过 UCOS 或 FreeRTOS 的同学应该知道， UCOS 或 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，笔者没有去研究过 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：
-> Kernel Features
-> Timer frequency (<choice> [=y])
选中“ Timer frequency”
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：
示例代码 50.1.1.1 include/asm-generic/param.h 文件代码段
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，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：
示例代码 50.1.1.2 include/jiffies.h 文件代码段
76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;
第 76 行，定义了一个 64 位的 jiffies_64。
第 77 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.
    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 为的 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 50.1.1.1 所示的几个 API 函数来处理绕回。
函数                                       描述
time_after(unkown, known)
time_before(unkown, known) unkown 通常为 jiffies， known 通常是需要对比的值。
time_after_eq(unkown, known)
time_before_eq(unkown, known)
表 50.1.1.1 处理绕回的 API 函数
    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：
示例代码 50.1.1.3 使用 jiffies 判断超时
1 unsigned long timeout;
2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
4 /************************************* 5 具体的代码 6 ************************************/
/* 判断有没有超时 */
9 if(time_before(jiffies, timeout)) { 
   
1   0 /* 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。
    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 50.1.1.2
所示：
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)
表 50.1.1.2 jiffies 和 ms、 us、 ns 之间的转换函数

50.1.2 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，并不是我们在裸机篇中讲解的 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(省略掉条件编译)：
示例代码 50.1.2.1 timer_list 结构体
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+(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，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：
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。
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：
示例代码 50.1.2.2 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(unsigned long 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 init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
    20
    21 timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
    22 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间 2 秒 */
    23 timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */
    24
    25 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
26 }
27
28 /* 退出函数 */
29 void exit(void)
30 { 
   
    31 del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
    32 /* 或者使用 */
    33 del_timer_sync(&timer);
34 }

50.1.3 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 50.1.3.1 所示：
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)
表 50.1.3.1 内核短延时函数

50.3 实验程序编写

本实验对应的例程路径为： 开发板光盘-> 2、 Linux 驱动例程-> 12_timer。
本章实验我们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。
50.3.1 修改设备树文件
本章实验使用到了 LED 灯， LED 灯的设备树节点信息使用 45.4.1 小节创建的即可。

50.3.2 定时器驱动程序编写
新建名为“ 12_timer”的文件夹，然后在 12_timer 文件夹里面创建 vscode 工程，工作区命
名为“ timer”。工程创建好以后新建 timer.c 文件.
第 38~50 行，定时器设备结构体，在 48 行定义了一个定时器成员变量 timer。
第 60~82 行， LED 灯初始化函数，从设备树中获取 LED 灯信息，然后初始化相应的 IO。
第 91~102 行，函数 timer_open，对应应用程序的 open 函数，应用程序调用 open 函数打开
/dev/timer 驱动文件的时候此函数就会执行。此函数设置文件私有数据为 timerdev，并且初始化
定时周期默认为 1 秒，最后调用 led_init 函数初始化 LED 所使用的 IO。
第 111~137 行，函数 timer_unlocked_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，在
本章例程中 arg 参数表示定时周期。
一共有三种命令 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。
第 140~144 行，定时器驱动操作函数集 timer_fops。
第 147~162 行，函数 timer_function，定时器服务函数，此函有一个参数 arg，在本例程中
arg 参数就是 timerdev 的地址，这样通过 arg 参数就可以访问到设备结构体。当定时周期到了以
后此函数就会被调用。在此函数中将 LED 灯的状态取反，实现 LED 灯闪烁的效果。因为内核
定时器不是循环的定时器，执行一次以后就结束了，因此在 161 行又调用了 mod_timer 函数重
新开启定时器。
第 169~209 行，函数 timer_init，驱动入口函数。在第 205~207 行初始化定时器，设置定时
器的定时处理函数为 timer_function，另外设置要传递给 timer_function 函数的参数为 timerdev。
在此函数中并没有调用 timer_add 函数来开启定时器，因此定时器默认是关闭的，除非应用程序
发送打开命令。
第 216~231 行，驱动出口函数，在 219 行关闭 LED，也就是卸载驱动以后 LED 处于熄灭
状态。第 220 行调用 del_timer_sync 函数删除定时器，也可以使用 del_timer 函数。

50.3.3 编写测试 APP
测试 APP 我们要实现的内容如下：
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。
新建名为 timerApp.c 的文件.
第 22~24 行，命令值。
第 53~73 行， while(1)循环，让用户输入要测试的命令，然后通过第 72 行的 ioctl 函数发送
给驱动程序。如果是设置定时器周期命令 SETPERIOD_CMD，那么 ioctl 函数的 arg 参数就是用
户输入的周期值。

50.4 运行测试

50.4.1 编译驱动程序和测试 APP
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件，本章实验的 Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将 obj-m 变
量的值改为 timer.o， Makefile 内容如下所示：
示例代码 50.4.1.1 Makefile 文件
1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imxrel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := timer.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第 4 行，设置 obj-m 变量的值为 timer.o。
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。
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。

50.4.2 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/4.1.15 目
录中，重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 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
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.
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，如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod timer.ko