八、（正点原子）Linux内核定时器实验

        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介绍

        1、内核时间管理

        在FreeRTOS或者UCOS中需要一个硬件定时器提供系统时钟，一般使用Systick作为系统的时钟源。同理， Linux 要运行，也是需要一个系统时钟，Linux内核会选择Cortex-A7内核中的一个通用定时器来作为Linux系统的时钟源，对于Linux驱动编写来说，我们不需要深入研究怎么选择时钟源，怎么配置时钟源，Linux内核编写者已经编写好了，我们只需要会使用相应的API函数即可。

        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：

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

         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：

        HZ：表示1s时间内进入中断的次数，也叫做节拍数。通常说为节拍率。

        选择高节拍率和低节拍率的优缺点 ：

        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，我们全部采用默认的 100Hz 系统节拍率。
        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，系统启动会将jiffies初始化为0，当然jiffies很重要，这也是我们设置定时器定时时间就是使用jiffies来完成的。jiffies 定义在文件 include/linux/jiffies.h 中，定义如下：

        jiffies_64和jiffies是同一个东西， jiffies_64用于64位系统，jiffies用于32位系统，为了兼容不同的硬件，其实jiffies就是jiffies_64的低32位。

        前面说了 HZ 表示每秒的节拍数， jiffies 表示系统运行的节拍数，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 内核提供了几个 API 函数来处理绕回，如下如：

函数描述（unkown为jiffies，known通常是对比的值）
time_after(unkown, known) unkown 超过 known 的话， time_after 函数返回真，否则返回假。
time_before(unkown, known)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(unkown, known)time_after_eq 函数和 time_after 函数一样，多了判断等于这个条件。
time_before_eq(unkown, known)time_before_eq 函数和 time_before 函数也类似，多了判断等于这个条件。
 

         比如我们要判断有没有超时，可以使用如下代码：

unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 *//* 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：

函数描述
int jiffies_to_msecs(const unsigned long j)jiffies转换成ms
int jiffies_to_usecs(const unsigned long j)jiffies转换成us
u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j)jiffies转换成ns
long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)ms转换成jiffies
long usecs_to_jiffies(const unsigned int u)us转换成jiffies
unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n)ns转换成jiffies

      2、内核定时器

        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6ull里面的硬件定时器。 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include/linux/timer.h 中，定义如下：

struct timer_list {/** All fields that change during normal runtime grouped to the* same cacheline*/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;#ifdef CONFIG_TIMER_STATSint start_pid;void *start_site;char start_comm[16];
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEPstruct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

         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+msecs_to_jiffies（2000），function 就是定时器超时以后的定时处理函数，当定时时间到了以后，就会跳转到function执行。

        定义好定时器后，还需要API函数（定义在linux/timer.h）来初始化定时器：

        ①、init_timer函数

        init_timer 函数负责初始化 timer_list 类型变量，函数原型：

#define init_timer(timer)						\__init_timer((timer), 0)#define __init_timer(_timer, _flags)					\init_timer_key((_timer), (_flags), NULL, NULL)void init_timer_key(struct timer_list *timer, unsigned int flags,const char *name, struct lock_class_key *key)

        timer：要初始化的定时器。

        ②、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：

extern void add_timer(struct timer_list *timer);

         timer：要初始化的定时器。

        ③、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，函数原型：

extern int del_timer(struct timer_list * timer);

         timer：要初始化的定时器。

        返回值：0，定时器没被激活，1，定时已经激活。

        ④、del_timer_sync函数

        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。函数原型：

extern int try_to_del_timer_sync(struct timer_list *timer);

         timer：要初始化的定时器。

        返回值：0，定时器没被激活，1，定时已经激活。

        ⑤、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：

extern int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);

        timer：要修改超时时间的定时器。

        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。

        3、内核定时器的使用流程

struct timer_list timer; /* 定义定时器 *//* 定时器回调函数 */
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));    /* 修改超时时间为2s */
}/* 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 */add_timer(&timer); /* 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);
}

4、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，如表：

函数描述
void ndelay(unsigned long nsecs)ms、us、ns延时函数
void udelay(unsigned long usecs)
void mdelay(unsigned long mseces)

二、unlocked_ioctl和compat_ioctl

        1、简介

        unlocked_ioctl\compat_ioctl是file_operation 结构体中的两个函数，一、（正点原子）字符设备驱动_正点原子字符驱动-CSDN博客这里有介绍

        unlocked_ioctl函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。简单点来说，当用户空间应用程序调用 ioctl函数向驱动发送控制信息，驱动程序会执行unlocked_ioctl这个函数

long (*unlocked_ioctl) (struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long arg);

         filep：设备文件名。

        cmd：应用程序发送过来的命令信息。后面我们会仔细说一下这个CMD命令如何创建。

        arg：应用程序发过来的参数。

         compat_ioctl函数的功能与unlocked_ioctl函数一样，区别在于64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。

long (*compat_ioctl) (struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long arg)；

     2、ioctl函数CMD命令

        在linux内核中有帮助手册：linux/Documentation/ioctl/ioctl-decoding.txt这个文档中有介绍CMD这个命令：

        这个CMD是一个32位的。31~30位是方向位，_IOR是向驱序读，_IOW是向驱动写。29~16位是用户空间向内核空间传输控制信息的数据大小，15~8位表示类型，驱动的标识位，一个特殊字符（ASCII）代表不同的一个驱动。7~0位就是不同的控制功能。

        参考：ioctl函数详解（参数详解，驱动unlocked_ioctl使用、命令码如何封装）-CSDN博客

三、Linux定时器实验编写

        1、驱动程序编写

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <asm/ioctls.h>/* 设备名称和个数 */
#define TIMER_CNT           1
#define TIMER_NAME          "timer"/* 命令宏 */
#define OPEN_CMD            _IO('E', 1)
#define CLOSE_CMD           _IO('E', 2)
#define SET_PERIOD_CMD      _IOW('E', 3, int)    /* timer结构体 */
typedef struct timer_dev {dev_t devid;                        /* 设备号 */int major;                          /* 主设备号 */int minor;                          /* 次设备号 */struct cdev dev;                    /* 设备 */struct class *class;                /* 类 */struct device *device;              /* 类的设备 */struct device_node  *nd;             /* 设备树节点 */int led_gpio;                       /* LED的GPIO编号 */struct timer_list timer;            /* 定时器 */int timerperiod;                    /* 定时器周期 */spinlock_t lock;                    /* 自旋锁 */}timer_dev;
timer_dev timer;static int timer_open (struct inode *inode, struct file *filep)
{filep->private_data = &timer;       /* 设置私有数据 */timer.timerperiod = 500;           /* 设置定时时间为1s */return 0;
}static long timer_unlocked_ioctlioctl(struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{int ret = 0;timer_dev *dev = filep->private_data;    /* 获取私有数据 */unsigned int timerperod = 0;unsigned long flag = 0;unsigned long value = 0;switch (cmd) {case OPEN_CMD:         /*  打开定时器 */spin_lock_irqsave(&dev->lock,flag);        /* 自锁 */timerperod = dev->timerperiod;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock,flag);   /* 解锁 */mod_timer(&dev->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(timerperod));break;case CLOSE_CMD:         /* 关闭定时器 */del_timer(&dev->timer);break;case SET_PERIOD_CMD:     /*  修改定时器的周期  */ret = copy_from_user(&value, (int *)arg, sizeof(int));if(ret < 0) {return -EFAULT;}spin_lock_irqsave(&dev->lock,flag);dev->timerperiod = value;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock,flag);mod_timer(&dev->timer,jiffies + msecs_to_jiffies(value));break;}return 0;}/* 设备文件操作集合 */
const struct file_operations timer_opts = {.owner = THIS_MODULE,.open = timer_open,.unlocked_ioctl = timer_unlocked_ioctlioctl,
};/* LED灯初始化 */
int led_init(timer_dev * ptimer)
{int ret = 0;timer_dev *dev = ptimer;/* 获取LED节点和信息 */dev->nd = of_find_node_by_path("/gpioled");/* 得到GPIO的编号 */dev->led_gpio = of_get_named_gpio(dev->nd, "led-gpio", 0);if(dev->led_gpio < 0) {ret = -EINVAL;printk("fail get gpio\r\n");goto fail_getgpio;}/* 申请GPIO */ret = gpio_request(dev->led_gpio, "led_gpio");if(ret) {printk("fail gpio request\r\n");ret = -EBUSY;goto fail_request;}/* 设置GPIO输入输出 */ret = gpio_direction_output(dev->led_gpio, 1);           /* 输出模式 给1关灯，默认关灯 */if(ret){printk("fail gpio set output\r\n");ret = -EBUSY;goto fail_setout;}return 0;
fail_setout:gpio_free(dev->led_gpio);
fail_request:
fail_getgpio:return ret;
}/* 定时器定时时间到回调函数 */
void  timer_timerout (unsigned long arg)
{static int status = 1;unsigned long flags;int timerperiod  = 0;timer_dev *dev = (timer_dev *)arg;/* 设置LED灯电平 */status = !status;gpio_set_value(dev->led_gpio,status);spin_lock_irqsave(&dev->lock,flags);                    /* 自锁 */timerperiod = dev->timerperiod;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);               /* 解锁 */mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timerperiod));
}/* 入口函数 */
static int __init timer_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化自旋锁 */spin_lock_init(&timer.lock);timer.timerperiod = 500;/* 注册设备号 */timer.major = 0;if(timer.major) {       /* 指定设备号 */timer.devid = MKDEV(timer.major,0);ret = register_chrdev_region(timer.devid, TIMER_CNT, TIMER_NAME);}else {                 /* 没有指定设备号 */ret = alloc_chrdev_region(&timer.devid, 0, TIMER_CNT, TIMER_NAME);timer.major = MAJOR(timer.devid);timer.minor = MINOR(timer.devid);}if(ret < 0) {printk("fail devid\r\n");goto fail_devid;}printk("major = %d,minor = %d\r\n",timer.major,timer.minor);            /* 打印设备号 *//* 注册设备 */timer.dev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&timer.dev, &timer_opts);ret = cdev_add(&timer.dev, timer.devid, TIMER_CNT);if(ret < 0) {printk("fail dev\r\n");goto fail_dev;}/* 自动创建节点信息 */timer.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME);if(IS_ERR(timer.class)) {ret = PTR_ERR(timer.class);printk("fail class\r\n");goto fail_class;}timer.device = device_create(timer.class, NULL, timer.devid, NULL, TIMER_NAME);if(IS_ERR(timer.device)) {ret = PTR_ERR(timer.device);printk("fail device\r\n");goto fail_device;}/* 初始化LED灯 */ret = led_init(&timer);if(ret < 0) {printk("fail led init\r\n");goto fail_led_init;}/* 初始化定时器 */init_timer(&timer.timer);timer.timer.data = (unsigned long) &timer;timer.timer.function = timer_timerout;mod_timer(&timer.timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod));return 0;fail_led_init:
fail_device:class_destroy(timer.class);
fail_class:cdev_del(&timer.dev);
fail_dev:unregister_chrdev_region(timer.devid, TIMER_CNT);
fail_devid:return ret;
}/* 出口函数 */
static void __exit timer_exit(void)
{/* 关灯 */gpio_set_value(timer.led_gpio, 1);/* 删除定时器 */del_timer_sync(&timer.timer);/* 注销GPIO */gpio_free(timer.led_gpio);/* 删除类的设备 */device_destroy(timer.class, timer.devid);/* 删除类 */class_destroy(timer.class);/* 删除设备 */cdev_del(&timer.dev);/* 删除设备号 */unregister_chrdev_region(timer.devid, TIMER_CNT);printk("timer exit\r\n");
}/* 注册入口和出口函数 */
module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ZhangXueGuo");

        2、应用程序编写 

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ioctl.h>/* 命令宏 */
#define OPEN_CMD            _IO('E', 1)
#define CLOSE_CMD           _IO('E', 2)
#define SET_PERIOD_CMD      _IOW('E', 3, int)  /**  main主程序 *  argc：argv数字个数，一般指传递给函数的参数数量*  argv：具体的参数内容，一般都是字符串格式*  return：0表示成功* 
*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd,ret;char *FileName;int cmd,arg;unsigned char str[100];/* 判断使用命令参数是否正确 */if(argc != 2){printf("命令使用错误!\r\n");ret = -1;goto fail_open;}/* 打开程序 */FileName = argv[1];fd = open(FileName,O_RDWR);if(fd < 0){printf("应用程序打开设备文件失败!\r\n");ret = fd;goto fail_open;}while(1) {printf("Please input CMD:");ret = scanf("%d",&cmd);if(ret != 1) {gets(str);}if(cmd == 1) {ret = ioctl(fd, OPEN_CMD, &arg);} else if(cmd == 2) {ret = ioctl(fd, CLOSE_CMD, &arg);} else if(cmd == 3) {printf("Input period:");ret = scanf("%d",&arg);if(ret != 1) { gets(str);}ret = ioctl(fd, SET_PERIOD_CMD, &arg);}}/* 关闭文件 */close(fd);return 0;fail_open:return ret;
}

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破碎的像素地牢探险：游戏分享

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软件介绍 《破碎的像素地牢》是开源一款地牢冒险探索类的游戏&#xff0c;融合了日系RPG经典风格&#xff0c;玩家将控制主角进行未知场景的探索。除了经典地牢玩法外&#xff0c;游戏还添加了更多创意内容&#xff0c;如黑屏状态前的挑战性等&#xff0c;使得游戏更加富有挑战…
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AI智能时代：ChatGPT如何在金融市场发挥策略分析与预测能力？

AI智能时代：ChatGPT如何在金融市场发挥策略分析与预测能力？

文章目录 一、ChatGPT在金融策略制定中的深度应用客户需求分析与定制化策略市场动态跟踪与策略调整策略分析与优化 二、ChatGPT在算法交易中的深度应用自动交易策略制定交易执行与监控风险管理 三、未来展望《智能量化&#xff1a;ChatGPT在金融策略与算法交易中的实践》亮点内…
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Windows10中端口被占用处理方法

Windows10中端口被占用处理方法

前言 在Windows 10中&#xff0c;查看端口被占用情况的方法主要依赖于命令行工具netstat。以下是详细步骤&#xff0c;以及必要的解释和归纳&#xff1a; 打开命令提示符 方法1&#xff1a;使用快捷键Win R&#xff0c;打开“运行”对话框&#xff0c;输入cmd&#xff0c;然…
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Linux 进程管理

Linux 进程管理

一、查看进程 使用ps -aux进行查看&#xff0c;其中a表示列出所有进程信息&#xff0c;u以用户格式显示进程信息&#xff0c;x显示后台进程参数&#xff0c;也可以使用| grep 进行进程的筛选 以下是显示进程后的示意 USER为进程执行的用户 PID为进程号 %CPU为该进程的cpu占用…
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如何解决vue中的路由守卫失效问题

如何解决vue中的路由守卫失效问题

引言 1. 路由守卫简介 路由守卫是前端开发中一个至关重要的概念&#xff0c;特别是在使用单页应用&#xff08;SPA&#xff09;框架如React、Vue或Angular时。它们充当了SPA中的“门卫”&#xff0c;控制着用户对不同页面的访问权限。路由守卫的核心功能是确保用户在访问特定…
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挖矿宝藏之开发者模式

挖矿宝藏之开发者模式

目录 一、开发者模式简介 二、启动方式 三、元素&#xff08;Elements&#xff09; 四、控制台&#xff08;Console&#xff09; 五、来源&#xff08;Sources&#xff09; 六、网络&#xff08;Network&#xff09; 七、性能&#xff08;Performance&#xff09; 八、…
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