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1. 内核定时器介绍
1.1 内核时间管理
内核中很多函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序、定时器。硬件定时器提供时钟源，时钟源频率可以设置，设置好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)，节拍率是可设置的，在编译内核时可通过图形化界面设置，按照如下路径打开配置界面：
-> Kernel Features
-> Timer frequency (<choice>[=y])默认系统节拍率为100Hz，内核使用全局变量jiffies来记录系统从启动以来的节拍数，系统启动时会将jiffies初始化为0，定义在文件include/linux/jiffies.h中：
extern u64 __jiffy_data jiffies_64; //定义64位的jiffies_64，用于64位系统
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies; //32位的，用于32位系统HZ表示每秒的节拍数，因此jiffies/HZ就是系统运行时间，单位为秒。jiffies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，即绕回当HZ为1000时，32位的jiffies需49.7天就发生了绕回，64位的jiffies则要5.8亿年才能绕回，可忽略不计。因此32位jiffies的绕回是需要进行处理的，内核提供了如下API函数来处理绕回
time_after (jiffies, timeout) ；//若jiffies>timeout，返回真，否则返回假
time_after_eq (jiffies, timeout)
time_before (jiffies, timeout) ；//若jiffies<timeout，返回真，否则返回假
time_before_eq (jiffies, timeout)若要判断某段代码执行时间有没有超时，可使用如下所示代码：
unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
/*************************************
具体的代码
************************************/
/* 判断有没有超时 */
if(time_before(jiffies, timeout)) {
/* 超时未发生 */
} else {
/* 超时发生 */
}
Linux内核提供了几个jiffies和ms、us、ns之间的转换函数，如下图示
1.2 内核定时器
定时器是一个常用的功能，需要周期性处理的工作都会用到。内核定时器采用系统时钟来实现，而不是PIT等硬件定时器。内核定时器使用简单，只需提供超时时间和定时处理函数即可，当超时时间到后定时处理函数就会执行
内核定时器并不是周期性运行的，超时后会自动关闭，若要实现周期性定时，就需要在定时处理函数中重新开启定时器。使用timer_list结构体表示内核定时器，其定义在文件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;
};
内核提供了一系列的API函数来操作定时器，下图为相关API函数及内核定时器使用流程
2. 内核定时器点灯实例
本文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，应用程序可以控制内核定时器周期
2.1 修改设备树文件
⏩ 添加pinctrl节点：在iomuxc节点的imx6ul-evk子节点下创建pinctrl_led节点，复用GPIO1_IO03
pinctrl_led: ledgrp {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10B0
>;
};
⏩ 添加LED设备节点：在根节点下创建LED设备节点，指定对应的pinctrl节点，指定所使用的GPIO
gpioled {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "andyxi-gpioled";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;
led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
status = "okay";
};
⏩ 检查PIN是否冲突：检查pinctrl和设备节点中指定的引脚有没有被占用
//检查GPIO_IO03这个PIN有没有被其他的pinctrl节点使用
pinctrl_tsc: tscgrp {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_GPIO1_IO01__GPIO1_IO01 0xb0
MX6UL_PAD_GPIO1_IO02__GPIO1_IO02 0xb0
//GPIO_IO03被pinctrl_tsc节点占用，因此需要屏蔽掉
/* MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0xb0 */
MX6UL_PAD_GPIO1_IO04__GPIO1_IO04 0xb0
>;
};
//检查"gpio1 3"有没有被其他设备节点占用
&tsc {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_tsc>;
//"gpio1 3"被tsc设备节点占用，因此需要屏蔽掉
/* xnur-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>; */
measure-delay-time = <0xffff>;
pre-charge-time = <0xfff>;
status = "okay";
};
⏩ 编译设备树：编译并使用该设备树启动Linux系统
#在内核根目录下
make dtbs #编译设备树
#启动Linux系统后
cd /proc/device-tree #查看"gpioled"节点是否存在
2.2 编写驱动程序
设备树准备好后就可以编写驱动程序了，新建timer.c文件，并编写程序⏩ 定义定时器设备结构体，并编写LED初始化函数
#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
/* 初始化LED灯IO */
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;
}
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;
}
⏩ 打开定时器设备时，调用LED初始化函数初始化IO
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;
}
⏩ 编写定时器ioctl函数，根据不同命令做不同的操作
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,
};⏩ 编写定时器回调函数，实现IO操作
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));
}⏩ 驱动入口和出口函数中，创建和注销定时器设备
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);
timerdev.major = MAJOR(timerdev.devid);
timerdev.minor = MINOR(timerdev.devid);
}
/* 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;
}
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);
unregister_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT);
device_destroy(timerdev.class, timerdev.devid);
class_destroy(timerdev.class);
}
module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
2.3 编写测试程序
新建名为timerApp.c的文件，并编写测试代码
/* 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
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);
}
2.4 编译测试
⏩ 编译驱动程序：当前目录下创建Makefile文件，并make编译
KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
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⏩ 编译测试程序：无需内核参与，直接编译即可
arm-linux-gnueabihf-gcc timerApp.c -o timerApp
⏩ 运行测试：启动开发板后，加载驱动模块，输入命令实现LED周期性闪烁
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