4.Linux驱动基础-内核定时器

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1.前言

定时器一般用来完成定时功能,在Linux内核中也可以实现比如us,ms延时，Linux 内核中周期性的调度程序、延时程序需要延时。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：在kernel目录下执行

make menuconfig

然后找到

-> Kernel Features
-> Timer frequency (<choice> [=y])

选中“Timer frequency” ，打开如下：

在这里插入图片描述

可以看到可以选择的系统节拍率为100HZ,200HZ,250HZ等，这里选择的是100HZ,设置好之后打开系统Linux源代码根目录下的.config,在文件中有定义：

在这里插入图片描述

Linux内核会根据CONFIG_HZ来设置系统时钟，我这里设置为100，在文件include/asm-generic/param.h

undef HZ
define HZ CONFIG_HZ
define USER_HZ 100
define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)

其中定义了一个宏HZ,这里的HZ=CONFIG_HZ,即HZ=100,HZ表示为1s的节拍数，其中高节拍数和低节拍数的优缺点为：

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，

2.Linux内核定时器

Linux内核使用全局变量jiffies来记录系统从启动以来的节拍数，系统启动时会初始化jiffies=0，jiffies在文件文件 include/linux/jiffies.h 中定义

extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

jiffies_64用于64位系统，jiffies用于32位系统，jiffies实际上是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 ，所以jiffies/HZ 就
是系统运行时间，单位为秒

3.Linux内核定时器代码

Linux内核定时器用来控制未来某一个时间点调度执行一个函数的机制，并不是周期运行，要想使得内核定时器周期性定时，需要在定时器处理函数中重新启动定时器，被调度的函数是异步执行的，在这个函数中需要遵循下面规则

没有 current 指针、不允许访问用户空间。因为没有进程上下文，相关代码和被中断的进程没有任何联系。
不能执行休眠（或可能引起休眠的函数）和调度。
任何被访问的数据结构都应该针对并发访问进行保护，以防止竞争条件。

在Linux内核中使用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;
};

当我们要使用这个定时器时，需要先定义一个time_list变量，定义好之后需要通过一系列的API函数来初始化这个定时器

3.1 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)
/*
* timer:要初始化的定时器
* return:NULL
*/

3.2 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)
/*
* timer:要注册的定时器
* return:NULL
*/

3.3 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)
/*
* timer:要删除的定时器
* return:0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活
*/

3.4 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：

int del_timer_sync(struct timer_list *timer)
/*
* timer:要删除的定时器
* return:0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活
*/

3.5 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)
/**
*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,用mod_timer函数前定时器未被激活；1,用 mod_timer 函数前定时器已被激活。
/

3.6 setup_timer函数

给定时器的各个参数赋值

/*
*timer:要初始化的定时器
*function:定时器处理函数
*data:传递给定时器的数据，即使function的参数
*/
static inline void setup_timer(struct timer_list * timer, void (*function)(unsigned long), unsigned long data)
{
    
    
　　timer->function = function;
　　timer->data = data;
　　init_timer(timer);
}

3.7 Linux内核短延时函数

void ndelay(unsigned long nsecs)
void udelay(unsigned long usecs) 纳秒、微秒和毫秒延时函数。
void mdelay(unsigned long mseces)

比如延时1000ms，直接mdelay(1000)即可

4.伪代码示例

struct timer_list timer; /* 定义定时器 */

/* 定时器回调函数 ，有时候arg的值会传入错误，谨慎使用*/
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 */
	*/
	setup_timer(&timer,function,(unsigned long)&dev);

	mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(0));; /* 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);
 }