80. Linux内核定时器实验

news2025/7/19 15:09:01

一、Linux内核定时器原理

1.1、内核时间管理
1、Cortex-M内核使用systick作为系统定时器。
2、硬件定时器、软件定时器，原理是依靠系统定时器来驱动。
3、linux内核频率可以配置，图形化界面配置。
4、重点，HZ表示系统节拍率，
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

1.2、节拍率高低的缺陷

1.3、jiffies

1.4、内核定时器
1、软件定时器不像硬件定时器一样，直接给周期值。设置期满以后的时间点。
2、定时处理函数。
3、内核定时器不是周期性的，一次定时时间到了以后就会关闭，除非重新打开。

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)：
在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述

二、编写试验驱动

1、定义一个定时器，结构体timer_list

2、应用ioctl函数-》unlocked_ioctl和compat_ioctl。

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long)
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
ioctl的命令是自己定义的，但是要符合linux规则。构建命令：
#define _IO(type,nr) /没有参数的命令
#define _IOR(type,nr,size) //该命令是从驱动读取数据
#define _IOW(type,nr,size) //该命令是向驱动写入数据
#define _IOWR(type,nr,size) //双向数据传输
type是幻数，nr是序号，size是大小。

//Makefile

KERNELDIR := /home/mk/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENT_PATH := $(shell pwd)

obj-m := timer.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

//timer.c

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
/***************************************************************
文件名     : timer.c
版本      : V1.0
描述      : Linux内核定时器实验
其他      : 无
***************************************************************/
#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 */
    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");
MODULE_AUTHOR("mk");

//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"
/***************************************************************
文件名     : timerApp.c
版本      : V1.0
描述      : 定时器测试应用程序
其他      : 无
使用方法    ：./timertest /dev/timer 打开测试App
***************************************************************/

/* 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);
}

三、测试

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。
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。
在这里插入图片描述

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