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
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■ 设置系统节拍率
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，
打开文件 include/asm-generic/param.h，
■ 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
■ 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
■ 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 0del_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");
