Linux驱动开发-内核定时器

【摘要】 内核定时器是内核用来控制在未来某个时间点（基于jiffies(节拍总数)）调度执行某个函数的一种机制，相关函数位于 和 kernel/timer.c 文件中。 当内核定时器定时时间到达时，会进入用户指定的函数，相当于软中断。内核定时器注册开启后，运行一次就不会再运行(相当于自动注销)，我们可以重新设置定时器的超时时间，让定时器重复运行。

1. 内核定时器介绍

内核定时器是内核用来控制在未来某个时间点（基于jiffies(节拍总数)）调度执行某个函数的一种机制，相关函数位于 和 kernel/timer.c 文件中。

当内核定时器定时时间到达时，会进入用户指定的函数，相当于软中断。内核定时器注册开启后，运行一次就不会再运行(相当于自动注销)，我们可以重新设置定时器的超时时间，让定时器重复运行。

每当时钟中断发生时,全局变量jiffies(一个32位的unsigned long 变量)就加1，因此jiffies记录了linux系统启动后时钟中断发生的次数，驱动程序常利用jiffies来计算不同事件间的时间间隔。内核每秒钟将jiffies变量增加HZ次。因此，对于HZ值为100的系统，jiffy+1等于隔了10ms，而对于HZ为1000的系统，jiffy+1仅为1ms。

内核定时器结构体：
下面列出了需要关心的成员

struct timer_list {
	unsigned long expires;         //设置超时时间，用jiffies作为基准值
	void (*function)(unsigned long); //类似中断服务函数，设置定时器到时后处理的函数 
	unsigned long data;           //中断服务函数的参数
}

expires设置：以当前时间为基准加上延时时间，时间基准用jiffies变量表示，延时时间可以使用以下两个宏转换成jiffies单位。

2. 内核定时器相关API函数

2.1 修改定时器超时时间

函数原型	*int mod_timer(struct timer_list timer, unsigned long expires)
函数功能	修改定时器超时时间
函数参数	timer：对应的定时器结构体 expires：超时时间
函数返回值	成功返回 ：修改成功的时间值
函数定义文件	\linux-3.5\kernel\timer.c

2.2 初始化定时器

函数原型	#define init_timer(timer)\
函数功能	初始化定时器结构
函数参数	timer：对应的定时器结构体
函数定义文件	\linux-3.5\include\linux\timer.h

2.3 关闭定时器

函数原型	int del_timer(struct timer_list *timer)
函数功能	关闭定时器，停用一个定时器。
函数参数	timer：对应的定 时器结构体
函数返回值	返回0：成功
函数定义文件	\linux-3.5\include\linux\timer.h

2.4 关闭定时器

函数原型	int del_timer_sync(struct timer_list *timer)
函数功能	关闭定时器，停用一个定时器，多处理器使用。如果编内核时不支持 SMP(多处理器)， del_timer_sync()和 del_timer()等价
函数参数	timer：对应的定时器结构体
函数返回值	返回0：成功
函数定义文件	\linux-3.5\include\linux\timer.h

2.5 转换时间（微妙单位）

函数原型	unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int m)
函数功能	转换时间（微妙单位），用于填充定时器结构体，设置超时时间
函数参数	m：要转换的时间值（微妙为单位）
函数返回值	成功返回转换成功的时间。用于填充定时器结构体，设置超时时间
函数定义文件	\linux-3.5\kernel\timer.c

2.6 转换时间（毫秒为单位）

函数原型	unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)
函数功能	转换时间（毫秒为单位），用于填充定时器结构体，设置超时时间
函数参数	m：要转换的时间值（毫秒为单位）
函数返回值	成功返回转换成功的时间。用于填充定时器结构体，设置超时时间
函数定义文件	\linux-3.5\kernel\timer.c

将jiffies单位转为struct timespec结构体表示：

Void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies, struct timespec *value)；

示例：
jiffies_to_timespec(jiffies,&value);
printk("value.ts_sec=%d\n",value.tv_sec);
printk("value.tv_nsec=%d\n",value.tv_nsec);

2.7 初始化定时器的结构体成员

TIMER_INITIALIZER（ _function, _expires, _data） 宏用于赋值定时器结构体的function、 expires、 data 和 base 成员， 这个宏的定义如下所示：（被DEFINE_TIMER宏调用）

#define TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data) {		\
		.entry = { .prev = TIMER_ENTRY_STATIC },	\
		.function = (_function),			\
		.expires = (_expires),				\
		.data = (_data),				\
		.base = &boot_tvec_bases,			\
		.slack = -1,					\
		__TIMER_LOCKDEP_MAP_INITIALIZER(		\
			__FILE__ ":" __stringify(__LINE__))	\
	}

2.8 初始化定时器并且赋值

DEFINE_TIMER（ _na me , _functi o n, _e x pires, _data） 宏是定义并初始化定时器成员的“快捷方式”， 这个宏定义如下所示：

/*初始化定时器，并进行赋值*/
#define DEFINE_TIMER(_name, _function, _expires, _data)		\
	struct timer_list _name =				\
		TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data)

2.9 定时器初始化赋值

setup_timer()也可用于初始化定时器并赋值其成员， 其源代码如下：

//初始化定时器并进行赋值
#define setup_timer(timer, fn, data)					\
	do {								\
		static struct lock_class_key __key;			\
		setup_timer_key((timer), #timer, &__key, (fn), (data));\
	} while (0)

static inline void setup_timer_key(struct timer_list * timer,
				const char *name,
				struct lock_class_key *key,
				void (*function)(unsigned long),
				unsigned long data)
{
	timer->function = function;
	timer->data = data;
	init_timer_key(timer, name, key);
}

3. 使用定时器的步骤

(1) 定义定时器结构体timer_list。

/*定义一个内核定时器配置结构体*/
static struct timer_list mytimer ; 

(2) 设置超时时间，定义定时器处理函数和传参。

mytimer.expires=jiffies+ msecs_to_jiffies(1000); /*设置定时器的超时时间，1000毫秒*/
//或者
//mytimer.expires=jiffies+HZ; /*设置定时器的超时时间，1000毫秒*/

mytimer.function = time_fun;	              /*定时器超时的回调函数，类似中断服务函数*/
mytimer.data = 12;                       /*传给定时器服务函数的参数*/

(3) 开启定时器。

init_timer(&mytimer);          /*初始化定时器*/
add_timer(&mytimer);	        /*启动定时器*/

完整示例代码:

#include 
#include 
#include 

static struct timer_list timer;

static void timer_function(unsigned long data)
{
	printk("data=%ld\n",data);
	mod_timer(&timer,msecs_to_jiffies(3000)+jiffies);
}

static int __init tiny4412_linux_timer_init(void)
{
	timer.expires=HZ*3+jiffies; /*单位是节拍*/
	timer.function=timer_function;
	timer.data=666;
	
	/*1. 初始化定时器*/
	init_timer(&timer);
	/*2. 添加定时器到内核*/
	add_timer(&timer);
    printk("驱动测试: 驱动安装成功\n");
    return 0;
}

static void __exit tiny4412_linux_timer_cleanup(void)
{
	/*3. 删除定时器*/
	del_timer_sync(&timer);
    printk("驱动测试: 驱动卸载成功\n");
}

module_init(tiny4412_linux_timer_init);    /*驱动入口--安装驱动的时候执行*/
module_exit(tiny4412_linux_timer_cleanup); /*驱动出口--卸载驱动的时候执行*/

MODULE_LICENSE("GPL");  /*设置模块的许可证--GPL*/

4. 内核提供的延时函数

Linux 内核中提供了进行纳秒、微秒和毫秒延迟。
void ndelay(unsigned long nsecs) ;
void udelay(unsigned long usecs) ;
void mdelay(unsigned long msecs) ;
上述延迟的实现原理本质上是忙等待，根据 CPU 频率进行一定次数的循环。在内核中，最好不要直接使用mdelay()函数， 这将无谓地耗费CPU资源。
void msleep(unsigned int millisecs) ;
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int millisecs) ;
void ssleep(unsigned int seconds) ;
上述函数将使得调用它的进程睡眠参数指定的时间， msleep()、 ssleep()不能被打断，而 msleep_interruptible()则可以被打断。

5. 精度较高的时间获取方式

高精度定时器通常用ktime作为计时单位。
获取内核高精度时间单位: ktime_t ktime_get(void)

下面是一些时间辅助函数用于计算和转换:

ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs);   
ktime_t ktime_sub(const ktime_t lhs, const ktime_t rhs);   
ktime_t ktime_add(const ktime_t add1, const ktime_t add2);   
ktime_t ktime_add_ns(const ktime_t kt, u64 nsec);   
ktime_t ktime_sub_ns(const ktime_t kt, u64 nsec);   
ktime_t timespec_to_ktime(const struct timespec ts);   
ktime_t timeval_to_ktime(const struct timeval tv);   
struct timespec ktime_to_timespec(const ktime_t kt);   //转换的时间通过timespec结构体保存
struct timeval ktime_to_timeval(const ktime_t kt);     //转换的时间通过timeval结构体保存
s64 ktime_to_ns(const ktime_t kt);     //转换为ns单位
int ktime_equal(const ktime_t cmp1, const ktime_t cmp2);   
s64 ktime_to_us(const ktime_t kt);    //转换为us单位
s64 ktime_to_ms(const ktime_t kt);    //转换为ms单位
ktime_t ns_to_ktime(u64 ns);

示例: 计算经过的一段时间

static int hello_init(void)
{
	ktime_t my_time,my_time2;
	unsigned int i,j;
	unsigned int time_cnt=0;
	my_time=ktime_get();    		//获取当前时间
	i=ktime_to_us(my_time); 		//转us
	
	udelay(600);  				//延时一段时间
	
	my_time2=ktime_get();  	  	//获取当前时间
	j=ktime_to_us(my_time2);  		//转us
	
	printk("time_cnt=%ld\n",j-i); 	//得出之间差值,正确值为: 600
	return 0;
}