一、内核时间
💦在编写驱动的时候有时候会用到定时器，除了使用硬件的定时器，内核中也提供了时间管理的API函数，至于这个系统节拍是怎么产生的不去过多的关注。
下面介绍下节拍率的概念：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)，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：
在.config中可以看到有个宏定义CONFIG_HZ=100，这个就是代表着系统的节拍率为100Hz。
Linux 内核会使用 CONFIG_HZ 这个宏定义来设置自己的系统时钟。打开文件 include/asm-generic/param.h，有如下内容：
节拍率有不同选择，有高有低，各有优缺点如下：
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。
二、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，通过节拍数来实现定时功能，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;
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。
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。 jiffies 是一个变量，是变量就有数据类型，所以不管是 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，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。
所以处理 32 位 jiffies 的绕回就变得非常重要了，Linux 内核提供了API 函数来处理绕回。
代码格式如下：
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。
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：
三、内核定时器简
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mcu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。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：
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。
定时器的初始化前工作就配置完成，然后在使用Linux提供的API函数，操作定时器的开启，更改时间等操作。
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。
6.定时器使用格式如下
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 }
四、定时器应用举例
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/uaccess.h> // copy_to_user() & copy_from_user
#include <asm/io.h> //ioremap
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/timer.h>
MODULE_AUTHOR("Jim Cromie <jim.cromie@gmail.com>");
MODULE_DESCRIPTION("NatSemi/Winbond PC-8736x GPIO Pin Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");
#define DEVNAME "gpioled"
/*设备结构体*/
struct gpioled_dev{dev_t devid;/*设备号*/int major; /*主设备号*/int minor; /*次设备号*/struct cdev cdev;/*字符设备结构体*/struct class *class;/*类*/struct device *device;/*设备*/struct device_node *node;/*设备节点*/int led_gpio;atomic_t lock; /*原子变量*/struct timer_list timer;int sta;
};struct gpioled_dev gpioled;/*led结构体变量*/
static int gpioled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &gpioled;/* 通过判断原子变量的值来检查 LED 有没有被别的应用使用当gpioled.lock小雨等于0时，表示驱动正在被使用 */if(atomic_read(&gpioled.lock) <= 0){return -EBUSY;}else{atomic_dec(&gpioled.lock);}printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}
static int gpioled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct gpioled_dev *dev = (struct gpioled_dev *)filp->private_data;/* 关闭的时候释放原子变量*/atomic_inc(&dev->lock);//printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}
static ssize_t gpioled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{//struct gpioled *gpioled = (struct gpioled *)filp->private_data;//printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}static ssize_t gpioled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{struct gpioled_dev *dev = (struct gpioled_dev *)filp->private_data;int ret = 0;unsigned char databuff[1];ret = copy_from_user(databuff, buf, count);if(ret < 0){printk("copy_from_user error\n\r");return -EPERM;}if(databuff[0] == 0){gpio_set_value(dev->led_gpio, 0);}if(databuff[0] == 1){gpio_set_value(dev->led_gpio, 1);}//printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}const struct file_operations gpioled_fops = {//.owner = THIS_MODULE,.open = gpioled_open,.release = gpioled_release,.read = gpioled_read,.write = gpioled_write,
};static void timer_func(unsigned long data)
{struct gpioled_dev *dev = (struct gpioled_dev *)data;static int sta = 1;sta = !sta;//dev->sta = !dev->sta;//printk("timer function\n\r");// gpio_set_value(dev->led_gpio,dev->sta);gpio_set_value(dev->led_gpio,sta);mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(1000));}
static int __init gpioled_init(void)
{/*注册*/int ret = -1;gpioled.sta = 1;/*初始化原子变量*/ atomic_set(&gpioled.lock, 1);/*设备号申请*/ if(gpioled.major){gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major,0);ret = register_chrdev_region(gpioled.devid, 1, DEVNAME);}else{ret = alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, 1, DEVNAME);gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);}if (ret < 0){printk("alloc_chrdev_region failed\n");goto devid_fail;}printk("major=%d, minor=%d\n", gpioled.major, gpioled.minor);/*字符设备初始化*/cdev_init(&gpioled.cdev,&gpioled_fops);gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;gpioled.cdev.ops = &gpioled_fops;ret = cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid,1);if (ret < 0){printk("cdev_add failed\n");goto cdev_add_fail;}/*类创建*/gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, DEVNAME);if (IS_ERR(gpioled.class)){printk("class_create failed\n");goto class_create_fail;}/*设备创建*/gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, DEVNAME);if (IS_ERR(gpioled.device)){printk("device_create failed\n");goto device_create_fail;}//获取设备属性信息//1获取节点gpioled.node = of_find_node_by_path("/gpioled");if(gpioled.node == NULL){ printk("of_find_node_by_path error\n\r");goto of_find_node_by_path_failed;}//2获取led灯gpio的编号gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.node,"led-gpios",0);if(gpioled.led_gpio < 0){printk("of_get_named_gpio error\n\r");goto of_get_named_gpio_failed;}printk("of_get_named_gpio=%d\n\r",gpioled.led_gpio);//3申请gpio,申请成功要记得释放ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "led-gpio");if (ret) {printk("gpio_request failed\n");goto gpio_request_failed;}//4使用io，设置输出ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if (ret) {printk("gpio_direction_output failed\n");goto gpio_direction_output_failed;}//5设置io为低电平gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);/* 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(&gpioled.timer);gpioled.timer.data = (unsigned long)&gpioled;//传递给功能函数的参数gpioled.timer.function = timer_func;gpioled.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(1000);//500ms周期add_timer(&gpioled.timer);return 0;
gpio_direction_output_failed:gpio_free(gpioled.led_gpio);
gpio_request_failed:
of_get_named_gpio_failed:
of_find_node_by_path_failed:
device_create_fail:class_destroy(gpioled.class);
class_create_fail:cdev_del(&gpioled.cdev);
cdev_add_fail:unregister_chrdev_region(gpioled.devid, 1);
devid_fail:return ret;}
static void __exit gpioled_exit(void)
{ gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1);del_timer_sync(&gpioled.timer);//删除定时器/*注销*/device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);cdev_del(&gpioled.cdev);unregister_chrdev_region(gpioled.devid, 1);printk(KERN_INFO "gpioled_exit\n");/*释放io*/gpio_free(gpioled.led_gpio);}/*驱动入口函数和出口函数*/
module_init(gpioled_init);
module_exit(gpioled_exit);
五、定时器应用举例-使用ioctl函数
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/uaccess.h> // copy_to_user() & copy_from_user
#include <asm/io.h> //ioremap
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/timer.h>
MODULE_AUTHOR("Jim Cromie <jim.cromie@gmail.com>");
MODULE_DESCRIPTION("NatSemi/Winbond PC-8736x GPIO Pin Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");
#define CLOSE_CMD _IO(0xEF,1) //关闭命令
#define OPEN_CMD _IO(0xEF,2) //打开命令
#define SET_CMD _IOW(0xEF,3,int) //设置周期命令#define DEVNAME "gpioled"
/*设备结构体*/
struct gpioled_dev{dev_t devid;/*设备号*/int major; /*主设备号*/int minor; /*次设备号*/struct cdev cdev;/*字符设备结构体*/struct class *class;/*类*/struct device *device;/*设备*/struct device_node *node;/*设备节点*/int led_gpio;atomic_t lock; /*原子变量*/struct timer_list timer;/*定时器*/int timer_period; /*定时器周期*/int sta;
};struct gpioled_dev gpioled;/*led结构体变量*/
static int gpioled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &gpioled;/* 通过判断原子变量的值来检查 LED 有没有被别的应用使用当gpioled.lock小雨等于0时，表示驱动正在被使用 */if(atomic_read(&gpioled.lock) <= 0){return -EBUSY;}else{atomic_dec(&gpioled.lock);}printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}
static int gpioled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct gpioled_dev *dev = (struct gpioled_dev *)filp->private_data;/* 关闭的时候释放原子变量*/atomic_inc(&dev->lock);//printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}
static ssize_t gpioled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{//struct gpioled *gpioled = (struct gpioled *)filp->private_data;//printk("gpioled_open\n\r");return 0;
}
//ioctl的cmd命令格式
//#define IPMICTL_SEND_COMMAND _IOR(IPMI_IOC_MAGIC, 13,struct ipmi_req)
static long gpioled_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,unsigned long arg)
{struct gpioled_dev *dev = (struct gpioled_dev *)filp->private_data;int value;int ret = 0;switch (cmd) {case CLOSE_CMD:del_timer_sync(&dev->timer);break;case OPEN_CMD:mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timer_period));break;case SET_CMD:ret = copy_from_user(&value,(int *)arg,sizeof(int));if(ret < 0){return -EFAULT;}dev->timer_period = value;mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timer_period));break;default:break;}return 0;}
const struct file_operations gpioled_fops = {//.owner = THIS_MODULE,.open = gpioled_open,.release = gpioled_release,.read = gpioled_read,.unlocked_ioctl = gpioled_ioctl,
};static void timer_func(unsigned long data)
{struct gpioled_dev *dev = (struct gpioled_dev *)data;static int sta = 1;sta = !sta;//dev->sta = !dev->sta;//printk("timer function\n\r");// gpio_set_value(dev->led_gpio,dev->sta);gpio_set_value(dev->led_gpio,sta);mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(gpioled.timer_period));}
static int __init gpioled_init(void)
{/*注册*/int ret = -1;gpioled.sta = 1;/*初始化原子变量*/ atomic_set(&gpioled.lock, 1);/*设备号申请*/ if(gpioled.major){gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major,0);ret = register_chrdev_region(gpioled.devid, 1, DEVNAME);}else{ret = alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, 1, DEVNAME);gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);}if (ret < 0){printk("alloc_chrdev_region failed\n");goto devid_fail;}printk("major=%d, minor=%d\n", gpioled.major, gpioled.minor);/*字符设备初始化*/cdev_init(&gpioled.cdev,&gpioled_fops);gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;gpioled.cdev.ops = &gpioled_fops;ret = cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid,1);if (ret < 0){printk("cdev_add failed\n");goto cdev_add_fail;}/*类创建*/gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, DEVNAME);if (IS_ERR(gpioled.class)){printk("class_create failed\n");goto class_create_fail;}/*设备创建*/gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, DEVNAME);if (IS_ERR(gpioled.device)){printk("device_create failed\n");goto device_create_fail;}//获取设备属性信息//1获取节点gpioled.node = of_find_node_by_path("/gpioled");if(gpioled.node == NULL){ printk("of_find_node_by_path error\n\r");goto of_find_node_by_path_failed;}//2获取led灯gpio的编号gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.node,"led-gpios",0);if(gpioled.led_gpio < 0){printk("of_get_named_gpio error\n\r");goto of_get_named_gpio_failed;}printk("of_get_named_gpio=%d\n\r",gpioled.led_gpio);//3申请gpio,申请成功要记得释放ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "led-gpio");if (ret) {printk("gpio_request failed\n");goto gpio_request_failed;}//4使用io，设置输出ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if (ret) {printk("gpio_direction_output failed\n");goto gpio_direction_output_failed;}//5设置io为低电平gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);/* 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(&gpioled.timer);gpioled.timer_period = 1000;gpioled.timer.data = (unsigned long)&gpioled;//传递给功能函数的参数gpioled.timer.function = timer_func;gpioled.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(gpioled.timer_period);//500ms周期add_timer(&gpioled.timer);return 0;
gpio_direction_output_failed:gpio_free(gpioled.led_gpio);
gpio_request_failed:
of_get_named_gpio_failed:
of_find_node_by_path_failed:
device_create_fail:class_destroy(gpioled.class);
class_create_fail:cdev_del(&gpioled.cdev);
cdev_add_fail:unregister_chrdev_region(gpioled.devid, 1);
devid_fail:return ret;}
static void __exit gpioled_exit(void)
{ gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1);/*删除定时器*/del_timer_sync(&gpioled.timer);/*注销*/device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);cdev_del(&gpioled.cdev);unregister_chrdev_region(gpioled.devid, 1);printk(KERN_INFO "gpioled_exit\n");/*释放io*/gpio_free(gpioled.led_gpio);}/*驱动入口函数和出口函数*/
module_init(gpioled_init);
module_exit(gpioled_exit);
