文章目录

一、linux时间管理和内核定时器简介
- 1.内核时间管理简介
- 2.内核定时器简介
- - 1.init_timer 函数
  - 2.add_timer 函数
  - 3.del_timer 函数
  - 4.del_timer_sync 函数
  - 5.mod_timer 函数
- 3.linux内核短延时函数
二、硬件原理图分析
三、实验程序编写
- 1.修改设备树文件
- 2.定时器驱动程序编写
- 3.编写测试APP
四、运行测试

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，本章我们就来学习一下这些和时间有关的功能。

一、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：

-> Kernel Features
-> Timer frequency ( [=y])
选中“Timer frequency”，打开以后如图所示

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

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：

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

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：

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，jiffies_64 和 jiffies 的结构如图所示：

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。

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：

1 unsigned long timeout;
2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
3
4 /*************************************
5 具体的代码
6 ************************************/
7
8 /* 判断有没有超时 */
9 if(time_before(jiffies, timeout)) {10 /* 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。第 4~6 行就是具体的代码段。第 9 行通过函数 time_before 来判断 jiffies 是否小于 timeout，如果小于的话就表示没有超时。

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)：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：

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

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 }

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：

二、硬件原理图分析

三、实验程序编写

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。

1.修改设备树文件

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，在 timer.c 里面输入如下内容：

#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>/***************************************************************Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.文件名      : timer.c作者     : 左忠凯版本     : V1.0描述        : Linux内核定时器实验其他        : 无论坛       : www.openedv.com日志     : 初版V1.0 2019/7/24 左忠凯创建***************************************************************/#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 0del_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("luatao");

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。

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。

定时器驱动操作函数集 timer_fops。

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，因此又调用了 mod_timer 函数重新开启定时器

函数 timer_init，驱动入口函数。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的地址。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。

驱动出口函数，关闭 LED，也就是卸载驱动以后 LED 处于熄灭状态。调用 del_timer_sync 函数删除定时器，也可以使用 del_timer 函数。

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，然后输入如下所示内容：

#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"/***************************************************************Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.文件名        : timerApp.c作者      : 左忠凯版本     : 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论坛        : www.openedv.com日志     : 初版V1.0 2019/7/24 左忠凯创建***************************************************************//* 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);}

while(1)循环，让用户输入要测试的命令，然后通过 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。

四、运行测试

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，如图：

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，

可自行去验证结果。

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