1. Linux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，可以使用如下所示代码：
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_IO03pinctrl_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 0xb0MX6UL_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_CNT1/* 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 */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;}
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
/* 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)); }
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);/* 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;}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("andyxi");
2.3 测试程序编写
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 *//** @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);}
2.4 程序编译
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_andyxiCURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := timer.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(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
