【Linux-时间管理和内核定时器】

news2024/12/28 18:51:05

Linux-时间管理和内核定时器

  • ■ 设置系统节拍率
  • ■ 高节拍率和低节拍率的优缺点：
  • ■ jiffies 系统节拍数
    • ■ get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值
    • ■ 处理绕回
    • ■ 使用 jiffies 判断超时
  • ■ jiffies 和 ms、 us、 ns 之间的转换函数`在这里插入代码片`
  • ■ 内核定时器
    • ■ 内核定时器API
    • ■ 内核短延时函数
    • ■ 示例一：使用范例
    • ■ 示例二：Linux内核定时器实验 内核定时器周期性的点亮和熄灭开发板上的 LED灯
  • ■
  • ■

■ 设置系统节拍率

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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，
在这里插入图片描述

打开文件 include/asm-generic/param.h，
在这里插入图片描述

■ 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。

■ jiffies 系统节拍数

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

extern u64 __jiffy_data jiffies_64;     //定义了一个 64 位的 jiffies_64。
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;    //定义了一个 unsigned long 类型的 32 位的 jiffies。

jiffies_64用于 64 位系统，而 jiffies 用于 32 位系统.
当我们访问 jiffies 的时候其实访问的是 jiffies_64 的低 32 位，

■ get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值

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。

■ 处理绕回

假如 HZ 为最大值 1000 的时候，
对于 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

函数描述
time_after(unkown, known)unkown 超过 known 的话， time_after 函数返回真，否则返回假
time_before(unkown, known)unkown 没有超过 known 的话 time_before 函数返回真，否则返回假
time_after_eq(unkown, known)和 time_after 函数类似 只是多了判断等于这个条件
time_before_eq(unkown, known)和 time_before函数类似 只是多了判断等于这个条件

■ 使用 jiffies 判断超时

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
在这里插入图片描述

■ jiffies 和 ms、 us、 ns 之间的转换函数在这里插入代码片

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
int jiffies_to_usecs(const unsigned long j)将 jiffies 类型的参数 j 分别转换为对应的微秒
u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j)将 jiffies 类型的参数 j 分别转换为对应的纳秒
long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)将毫秒转换为 jiffies 类型。
long usecs_to_jiffies(const unsigned int u)将微秒转换为 jiffies 类型。
unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n)将纳秒转换为 jiffies 类型。

■ 内核定时器

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。
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

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;
};

■ 内核定时器API

函数描述
init_timer 函数初始化 timer_list 类型变量，
add_timer 函数向 Linux 内核注册定时器，
del_timer 函数删除一个定时器
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。
mod_timer 函数修改定时值

■ 内核短延时函数

Linux 内核提供了毫秒、微秒 、纳秒 延时函数
在这里插入图片描述

■ 示例一：使用范例

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);
}

■ 示例二：Linux内核定时器实验 内核定时器周期性的点亮和熄灭开发板上的 LED灯

#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>

#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");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

■

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