大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。
文章目录一、linux时间管理和内核定时器简介1.内核时间管理简介2.内核定时器简介1.init_timer 函数2.add_timer 函数3.del_timer 函数4.del_timer_sync 函数5.mod_timer 函数3.linux内核短延时函数二、硬件原理图分析三、实验程序编写1.修改设备树文件2.定时器驱动程序编写3.编写测试APP四、运行测试定时器是我们最常用到的功能，一般用来完成定时功能，本章我们就来学习一下 Linux 内核提供的定时器 API 函数，通过这些定时器 API 函数我们可以完成很多要求定时的应用。Linux内核也提供了短延时函数，比如微秒、纳秒、毫秒延时函数，本章我们就来学习一下这些和时间有关的功能。
一、linux时间管理和内核定时器简介1.内核时间管理简介Linux 内核中有大量的函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序、对于我们驱动编写者来说最常用的定时器。
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，也叫做节拍率(tick rate)(有的资料也叫系统频率)，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：
可选的系统节拍率为 100Hz、200Hz、250Hz、300Hz、500Hz 和1000Hz，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，在此文件中有
Linux 内核会使用 CONFIG_HZ 来设置自己的系统时钟。打开文件 include/asm-generic/param.h，有如下内容：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制6 # undef HZ7 # define HZ CONFIG_HZ8 # define USER_HZ 1009 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)
高节拍率和低节拍率的优缺点：
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，定义如下：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;77 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，jiffies_64 和 jiffies 的结构如图所示：
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。
前面说了 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。
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。处理 32 位 jiffies 的绕回显得尤为重要，
Linux 内核提供了如表所示的几个 API 函数来处理绕回。
如果 unkown 超过 known 的话，time_after 函数返回真，否则返回假。 如果 unkown 没有超过 known 的话 time_before 函数返回真，否则返回假。 time_after_eq 函数和 time_after 函数类似，只是多了判断等于这个条件。 同理，time_before_eq 函数和 time_before 函数也类似。
比如我们要判断某段代码执行时间有没有超时，此时就可以使用如下所示代码：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制1 unsigned long timeout;2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */34 /************************************* 5 具体的代码 6 ************************************/78 /* 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。第 4~6 行就是具体的代码段。第 9 行通过函数 time_before 来判断 jiffies 是否小于 timeout，如果小于的话就表示没有超时。
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，如表所示：
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，并不是我们在裸机篇中讲解的 PIT 等硬件定时器。
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，和我们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。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。
Linux 内核使用 timer_list 结构体表示内核定时器，timer_list 定义在文件
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制include/linux/timer.h 中，定义如下(省略掉条件编译)：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。
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定义好定时器以后还需要通过一系列的 API 函数来初始化此定时器，这些函数如下：
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：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制void init_timer(struct timer_list *timer)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：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制void add_timer(struct timer_list *timer)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：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制int del_timer(struct timer_list * timer)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 不能使用在中断上下文中。 del_timer_sync 函数原型如下所示：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制int del_timer_sync(struct timer_list *timer)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：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
函数参数和返回值含义如下：
关于内核定时器常用的 API 函数就讲这些，内核定时器一般的使用流程如下所示
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制1 struct timer_list timer; /* 定义定时器 */23 /* 定时器回调函数 */4 void function(unsigned long arg)5 { 6 /* 7 * 定时器处理代码 8 */910 /* 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 }1516 /* 初始化函数 */17 void init(void)18 { 19 init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */2021 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 */2425 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */26 }2728 /* 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 }3.linux内核短延时函数有时候我们需要在内核中实现短延时，尤其是在 Linux 驱动中。Linux 内核提供了毫秒、微秒和纳秒延时函数，这三个函数如表所示：
本章实验我们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，测试应用程序可以控制内核定时器周期。
1.修改设备树文件2.定时器驱动程序编写新建名为“12_timer”的文件夹，然后在 12_timer 文件夹里面创建 vscode 工程，工作区命名为“timer”。工程创建好以后新建 timer.c 文件，在 timer.c 里面输入如下内容：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制#include#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include /*************************************************************** Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved. 文件名 : timer.c 作者 : 左忠凯 版本 : V1.0 描述 : Linux内核定时器实验 其他 : 无 论坛 : www.openedv.com 日志 : 初版V1.0 2019/7/24 左忠凯创建 ***************************************************************/#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 */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("luatao");
一共有三种命令 CLOSE_CMD，OPEN_CMD 和 SETPERIOD_CMD，这三个命令分别为关闭定时器、打开定时器、设置定时周期。这三个命令的左右如下：
3.编写测试APP测试 APP 我们要实现的内容如下：
新建名为 timerApp.c 的文件，然后输入如下所示内容：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制#include "stdio.h"#include "unistd.h"#include "sys/types.h"#include "sys/stat.h"#include "fcntl.h"#include "stdlib.h"#include "string.h"#include "linux/ioctl.h"/*************************************************************** Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved. 文件名 : timerApp.c 作者 : 左忠凯 版本 : V1.0 描述 : 定时器测试应用程序 其他 : 无 使用方法 ：./timertest /dev/timer 打开测试App 论坛 : www.openedv.com 日志 : 初版V1.0 2019/7/24 左忠凯创建 ***************************************************************//* 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 *//* * @description : main主程序 * @param - argc : argv数组元素个数 * @param - argv : 具体参数 * @return : 0 成功;其他 失败 */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);}while(1)循环，让用户输入要测试的命令，然后通过 ioctl 函数发送给驱动程序。如果是设置定时器周期命令 SETPERIOD_CMD，那么 ioctl 函数的 arg 参数就是用户输入的周期值。
四、运行测试代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令modprobe timer.ko //加载驱动
驱动加载成功以后如下命令来测试：
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制./timerApp /dev/timer
输入上述命令以后终端提示输入命令，如图：
可自行去验证结果。
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