Linux 内核定时器实验

news2024/12/26 23:16:16

目录

一、内核时间管理简介

二、内核定时器简介

三、驱动编写

1、修改makefile

 2、添加定义

 3、初始化led函数

4、添加调用 

5、初始化定时器与定时器处理函数

这部分代码如下

四、ioctl函数

 五、内核添加unlocked_ioctl 函数

1、添加设备操作集unlocked_ioctl成员 

 2、添加timepriod变量

 3、初始化timepriod

 4、添加unlocked_ioctl对应的函数

六、编写应用测试

1、添加宏定义

 2、使用ioctl函数

七、编译测试

                总体代码如下：

                驱动

                应用

一、内核时间管理简介

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，也叫节拍率(tick rate)(有的叫系统率)，比如 1000Hz， 100Hz 等等说的就是系统节拍率。系统节拍率是可以通过Linux 内核设置的

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，这里全部采用默认的 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，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
 

访问 jiffies 的时候其实访问的是 jiffies_64 的低 32 位，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

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。处理 32 位 jiffies 的绕回显得尤为重要

相关API使用到的时候介绍

二、内核定时器简介

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。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;

        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 */

        unsigned long expires;                            /* 定时器超时时间，单位是节拍数*/

        int slack;}

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。

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，比如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)，相关API使用到的时候介绍

三、驱动编写

这里的led节点在之前篇章已经添加到设备树中，可以直接获取使用 

自行编写好基本的字符设备驱动

1、修改makefile

 2、添加定义

 3、初始化led函数

在驱动入口函数前面添加

 77行，通过路径查找获取led设备节点

82行，通过名字获取“led-gpios”属性的第0个索引

87行，申请一个叫“led”的 GPIO 管脚

93行，设置gpio为输出，默认输出值为1

这段代码主要是通过设备树获取属性，并设置GPIO的输出

4、添加调用 

在驱动入口函数里面添加调用led_init（）函数

5、初始化定时器与定时器处理函数

在驱动入口里面调用初始化led后面添加

 152行，初始化 timer_list 变量，init_timer 函数原型如下

void init_timer(struct timer_list *timer)

timer：要初始化定时器。返回值： 没有返回值

154行，这里编写一个函数为timer_func，把它赋给 function,这个是定时处理函数

                timer_func函数如下，在驱动入口函数之前编写

 68行，获取私有数据

71行，设置gpio的电平为0，也就是低

72行，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，原型如下：

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)

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

 这里定时器的超时时间为jiffies+msecs_to_jiffies（500），msecs_to_jiffies函数原型如下

long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)

将毫秒转换为 jiffies 类型，这里是500毫秒

msecs_to_jiffies函数主要就是设置周期运行，周期为500毫秒

回到155行，expires为定时器超时时间，和timer_func函数里一样500毫秒

156行，通过data传递timer数据给timer_func函数

157行，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)

timer：要注册的定时器； 没有返回值

 这段代码主要是，在初始化led后，使用定时器，在执行代码就会以500毫秒为一个周期,使led闪烁

这部分代码如下

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

#define TIMER_CNT 1
#define TIMER_NAME "timer"

/*timer设备结构体*/
struct timer_dev{
    dev_t devid;/*设备号*/
    int major;/*主设备号*/
    int minor;/*次设备号*/
    struct cdev cdev;/*cdev表示一个字符设备*/
    struct class *class;/*类*/
    struct device *device;/*设备*/
    struct device_node *nd;/* 设备节点 */
    struct timer_list timer;/*定时器*/
    int ledgpio;/* key所使用的GPIO编号		*/
}timer;

static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    filp->private_data = &timer;/* 设置私有数据 */
    return 0;
}
static ssize_t timer_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    return 0;
}
static ssize_t timer_write(struct file *filp, const char __user *buf,
			 size_t cnt, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;


    return ret;
}
static int timer_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    return 0;
}

/* 设备操作集 */
static const struct file_operations timer_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = timer_open,
    .read = timer_read,
    .write = timer_write,
    .release = timer_release,
};
/*定时器处理函数*/
static void timer_func(unsigned long arg){
    struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)arg;
    static int sta =1;
    sta =!sta;/* 每次都取反，实现LED灯反转 */
    gpio_set_value(dev->ledgpio,sta);
    mod_timer(&dev->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(500));
}
/*初始化led*/
int led_init(struct timer_dev *dev){
    int ret = 0;
    dev->nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    if(dev->nd == NULL){
        ret = -EINVAL;
        goto fail_fd;
    }
    dev->ledgpio = of_get_named_gpio(dev->nd,"led-gpios",0);
    if(dev->ledgpio<0){
         ret = -EINVAL;
        goto fail_gpio;
    }
    ret = gpio_request(dev->ledgpio,"led");
    if(ret){
        ret = -EBUSY;
        printk("IO %d can't request\r\n",dev->ledgpio);
        goto fail_request;
    }
    ret= gpio_direction_output(dev->ledgpio,1);/**/
    if(ret < 0){
         ret = -EINVAL;
        goto fail_gpioset;
    }
    return 0;
fail_gpioset:
    gpio_free(dev->ledgpio);
fail_request:
fail_gpio:
fail_fd:
    return ret;
}
/*驱动入口函数*/
static int __init timer_init(void){
    int ret =0;
    /*注册字符设备驱动*/
    timer.major = 0;
    if(timer.major){ /*指定设备号*/
        timer.devid = MKDEV(timer.major,0);/*构建设备号*/
        ret = register_chrdev_region(timer.devid,TIMER_CNT,TIMER_NAME);/*注册设备号*/
    }else{/*未指定设备号*/
        ret = alloc_chrdev_region(&timer.devid,0,TIMER_CNT,TIMER_NAME);/*申请设备号*/
        timer.major = MAJOR(timer.devid);/*提取出主设备号*/
        timer.minor = MINOR(timer.devid);/*提取出次设备号*/
    }
    if(ret < 0){
        goto fail_devid;
    }
    printk("timer.major = %d,timer.minor = %d\r\n", timer.major,timer.minor);
    /*初始化cdev*/
    timer.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&timer.cdev,&timer_fops);
    /*向 Linux 系统添加这个字符设备*/
    ret = cdev_add(&timer.cdev,timer.devid,TIMER_CNT);
    if(ret < 0){
        goto fail_cdev;
    }
    /*设备文件节点的自动创建与删除*/
    /*创建类*/
    timer.class = class_create(THIS_MODULE,TIMER_NAME);
    if(IS_ERR(timer.class)){
        ret = PTR_ERR(timer.class);
        goto fail_class;
    }
    /*在类下创建设备,生成/dev/TIMER_NAME这个设备文件*/
    timer.device = device_create(timer.class,NULL,timer.devid,NULL,TIMER_NAME);
    if(IS_ERR(timer.device)){
        ret = PTR_ERR(timer.device);
        goto fail_device;
    }
    
    /*初始化led*/
    ret = led_init(&timer);
    if(ret < 0){
        goto fail_ledinit;
    }

    /*初始化定时器*/
    init_timer(&timer.timer);/* 初始化定时器 */

    timer.timer.function =  timer_func;/* 设置定时处理函数 */
    timer.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(500);/* 超时时间 500毫秒 */
    timer.timer.data = (unsigned long)&timer;/* 将设备结构体作为参数 */
    add_timer(&timer.timer);/* 启动定时器 */
    return 0;
fail_ledinit:
fail_device:
    class_destroy(timer.class);
fail_class:
    cdev_del(&timer.cdev);    
fail_cdev:
    unregister_chrdev_region(timer.devid,TIMER_CNT);
fail_devid:
    return ret;
}
/*驱动出口函数*/
static void __exit timer_exit(void){
    gpio_set_value(timer.ledgpio,1);/*关灯*/
    del_timer(&timer.timer);/*删除定时器*/
    gpio_free(timer.ledgpio);/*释放io*/
    del_timer(&timer.timer);/*删除定时器*/
    device_destroy(timer.class,timer.devid);/*删除设备*/
    class_destroy(timer.class);/*删除类*/
    cdev_del(&timer.cdev); /*Linux 内核中删除相应的字符设备*/
    unregister_chrdev_region(timer.devid,TIMER_CNT);/*释放设备号*/
}

/*注册和卸载驱动*/
module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ba che kai qi lai");

编译验证——加载驱动之后就会以500毫秒进行闪烁

四、ioctl函数

在应用层有ioctl 函数，在内核上对应就会调用unlocked_ioctl 函数或者compat_ioctl 函数，这两个功能一样，前者用在32为操作系统上，后者用在64位操作系统上

作用：设备在运行的时候可能要求数据的写入是连续的，如果这个时候用write函数去写指令的话，就有可能导致数据的不连续，比如声卡放音乐卡顿，电影播放不流畅等情况，为了解决这种情况，就有了ioctl函数，此函数专门向驱动层发送或者接收指令

 五、内核添加unlocked_ioctl 函数

1、添加设备操作集unlocked_ioctl成员 

 2、添加timepriod变量

        用于后续接收设置的毫秒

 3、初始化timepriod

在驱动入口函数的初始化定时器里面添加，timepriod设置为500 ，182行，用变量替换500毫秒

 同理、把下面99行的500毫秒改为用变量timepriod

 4、添加unlocked_ioctl对应的函数

在添加之前先定义三个宏

解释： _IO(type,nr)

type:是个0-0xff的数或者一个字符，占8bit。这个数是用来区分不同的驱动的，像设备号一样

nr:命令编号/序数，8 bit，取值范围 0~255

这里分别用1-2-3来实现关闭、打开和设置周期的操作

下面在设备操作集之前添加函数

 68行，删除定时器。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)
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。

 70行， mod_timer 函数会激活定时器

74-80行，获取应用层数据，根据获取到的数据来设置周期值，并开始按数据进行周期运行

六、编写应用测试

需要头文件#include <sys/ioctl.h>

1、添加宏定义

这个和内核驱动的一样

 2、使用ioctl函数

 ioctl函数原型如下

int ioctl(int fd, int cmd, ...) ;

fd:文件描述符；cmd：交互命令，设备驱动将根据 cmd 执行对应操作；

...：可变参数 arg，一些情况下应用程序需要向驱动程序传参，参数就通过arg来传递

执行成功时返回 0，失败则返回 -1 并设置全局变量 errorno 值

 通过应用层ioctl函数获取数据之后，内核就会根据数据执行对应的操作

七、编译测试

通过1和2命令实现关闭和开启定时器

通过3命令设置时间（毫秒）之后就会按照设置的时间来周期运行

总体代码如下

驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

#define TIMER_CNT 1
#define TIMER_NAME "timer"

#define CLOSE_CMD _IO(0XEF ,1)  /*关闭命令*/
#define OPEN_CMD _IO(0XEF,2)    /*打开命令*/
#define SETPERIOD_CMD _IO(0XEF,3) /*设置周期*/

/*timer设备结构体*/
struct timer_dev{
    dev_t devid;/*设备号*/
    int major;/*主设备号*/
    int minor;/*次设备号*/
    struct cdev cdev;/*cdev表示一个字符设备*/
    struct class *class;/*类*/
    struct device *device;/*设备*/
    struct device_node *nd;/* 设备节点 */
    struct timer_list timer;/*定时器*/
    int ledgpio;/* key所使用的GPIO编号		*/
    int timepriod;/*定时器周期ms*/
}timer;

static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    filp->private_data = &timer;/* 设置私有数据 */
    return 0;
}
static ssize_t timer_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    return 0;
}
static ssize_t timer_write(struct file *filp, const char __user *buf,
			 size_t cnt, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;


    return ret;
}
static int timer_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    return 0;
}
static long timer_ioctl(struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned long arg){
    struct timer_dev *dev = filp->private_data;
    int ret = 0;
    int value=0;
    switch (cmd){
        case CLOSE_CMD:
            del_timer_sync(&dev->timer);
            break;
        case OPEN_CMD:
             mod_timer(&dev->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timepriod));
            break;
        case SETPERIOD_CMD:
            ret = copy_from_user(&value,(int *)arg,sizeof(int));
            if(ret < 0){
                return -EFAULT;
            }
            dev->timepriod = value;
            mod_timer(&dev->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timepriod));
            break;
    }
   return ret;
}
/* 设备操作集 */
static const struct file_operations timer_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = timer_open,
    .read = timer_read,
    .write = timer_write,
    .release = timer_release,
    .unlocked_ioctl = timer_ioctl,
};
/*定时器处理函数*/
static void timer_func(unsigned long arg){
    struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)arg;
    static int sta =1;
    sta =!sta;/* 每次都取反，实现LED灯反转 */
    gpio_set_value(dev->ledgpio,sta);
    mod_timer(&dev->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timepriod));
}
/*初始化led*/
int led_init(struct timer_dev *dev){
    int ret = 0;
    dev->nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    if(dev->nd == NULL){
        ret = -EINVAL;
        goto fail_fd;
    }
    dev->ledgpio = of_get_named_gpio(dev->nd,"led-gpios",0);
    if(dev->ledgpio<0){
         ret = -EINVAL;
        goto fail_gpio;
    }
    ret = gpio_request(dev->ledgpio,"led");
    if(ret){
        ret = -EBUSY;
        printk("IO %d can't request\r\n",dev->ledgpio);
        goto fail_request;
    }
    ret= gpio_direction_output(dev->ledgpio,1);/**/
    if(ret < 0){
         ret = -EINVAL;
        goto fail_gpioset;
    }
    return 0;
fail_gpioset:
    gpio_free(dev->ledgpio);
fail_request:
fail_gpio:
fail_fd:
    return ret;
}
/*驱动入口函数*/
static int __init timer_init(void){
    int ret =0;
    /*注册字符设备驱动*/
    timer.major = 0;
    if(timer.major){ /*指定设备号*/
        timer.devid = MKDEV(timer.major,0);/*构建设备号*/
        ret = register_chrdev_region(timer.devid,TIMER_CNT,TIMER_NAME);/*注册设备号*/
    }else{/*未指定设备号*/
        ret = alloc_chrdev_region(&timer.devid,0,TIMER_CNT,TIMER_NAME);/*申请设备号*/
        timer.major = MAJOR(timer.devid);/*提取出主设备号*/
        timer.minor = MINOR(timer.devid);/*提取出次设备号*/
    }
    if(ret < 0){
        goto fail_devid;
    }
    printk("timer.major = %d,timer.minor = %d\r\n", timer.major,timer.minor);
    /*初始化cdev*/
    timer.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&timer.cdev,&timer_fops);
    /*向 Linux 系统添加这个字符设备*/
    ret = cdev_add(&timer.cdev,timer.devid,TIMER_CNT);
    if(ret < 0){
        goto fail_cdev;
    }
    /*设备文件节点的自动创建与删除*/
    /*创建类*/
    timer.class = class_create(THIS_MODULE,TIMER_NAME);
    if(IS_ERR(timer.class)){
        ret = PTR_ERR(timer.class);
        goto fail_class;
    }
    /*在类下创建设备,生成/dev/TIMER_NAME这个设备文件*/
    timer.device = device_create(timer.class,NULL,timer.devid,NULL,TIMER_NAME);
    if(IS_ERR(timer.device)){
        ret = PTR_ERR(timer.device);
        goto fail_device;
    }
    
    /*初始化led*/
    ret = led_init(&timer);
    if(ret < 0){
        goto fail_ledinit;
    }

    /*初始化定时器*/
    init_timer(&timer.timer);/* 初始化定时器 */
    timer.timepriod = 500;
    timer.timer.function =  timer_func;/* 设置定时处理函数 */
    timer.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timepriod);/* 超时时间 500毫秒 */
    timer.timer.data = (unsigned long)&timer;/* 将设备结构体作为参数 */
    add_timer(&timer.timer);/* 启动定时器 */
    return 0;
fail_ledinit:
fail_device:
    class_destroy(timer.class);
fail_class:
    cdev_del(&timer.cdev);    
fail_cdev:
    unregister_chrdev_region(timer.devid,TIMER_CNT);
fail_devid:
    return ret;
}
/*驱动出口函数*/
static void __exit timer_exit(void){
    gpio_set_value(timer.ledgpio,1);/*关灯*/
    del_timer(&timer.timer);/*删除定时器*/
    gpio_free(timer.ledgpio);/*释放io*/
    del_timer(&timer.timer);/*删除定时器*/
    device_destroy(timer.class,timer.devid);/*删除设备*/
    class_destroy(timer.class);/*删除类*/
    cdev_del(&timer.cdev); /*Linux 内核中删除相应的字符设备*/
    unregister_chrdev_region(timer.devid,TIMER_CNT);/*释放设备号*/
}

/*注册和卸载驱动*/
module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ba che kai qi lai");

应用

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>


#define CLOSE_CMD _IO(0XEF ,1)  /*关闭命令*/
#define OPEN_CMD _IO(0XEF,2)    /*打开命令*/
#define SETPERIOD_CMD _IO(0XEF,3) /*设置周期*/

/*
    argc:应用程序参数个数（argv数组元素个数）
    argv:具体参数,也可以写作char **argv
    ./timerAPP <filename>    
    ./timerAPP  /dev/timer
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd,ret;
    char *filename;
    unsigned char databuf[1];
    unsigned int cmd,arg;
    /*判断命令行输入参数是否正确*/
    if(argc != 2){
        printf("error usage!\r\n");
        return -1;
    }
    /*用指针指向文件*/
    filename = argv[1];
    /*打开文件*/
    fd = open(filename , O_RDWR);
    if(fd < 0){
        printf("file open failed\r\n",filename);
        return -1;
    }
    /*循环读取*/
    while(1){
       printf("input cmd:");
        ret = scanf("%d",&cmd);
        getchar();/*使用getchar()清理回车\n*/
        if(cmd == 1){
            ioctl(fd,CLOSE_CMD,&arg);/*关闭*/
        }else if (cmd == 2){
            ioctl(fd,OPEN_CMD,&arg);/*打开*/
        }else if (cmd == 3){
            printf("input TImer period:");
            ret = scanf("%d",&arg);
            getchar();/*使用getchar()清理回车\n*/
            ioctl(fd,SETPERIOD_CMD,&arg);/*设置周期*/
        }else{
         printf("input error\r\n");   
        }
       
    }
    /*关闭文件*/
    close(fd);

    return 0;
}

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