《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》第三十二章内核定时器

正点原子 · 发表于 2022-1-22 15:02:47

1）实验平台：正点原子领航者V2 ZYNQ开发板
2) 章节摘自【正点原子】《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609032204975
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6）正点原子FPGA技术交流QQ群：90562473

第三十二章 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。

   1.1Linux时间管理和内核定时器简介
1.1.1内核时间管理简介
   学习过UCOS或FreeRTOS的同学应该知道，UCOS或FreeRTOS是需要一个硬件定时器提供系统时钟，一般使用Systick作为系统时钟源。同理，Linux要运行，也是需要一个系统时钟的，至于这个系统时钟是由哪个定时器提供的，笔者没有去研究过Linux内核，但是在Cortex-A7内核中有个通用定时器，在《Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf》的“9:Generic Timer”章节有简单的讲解，关于这个通用定时器的详细内容，可以参考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的“chapter B8 The Generic Timer”章节。这个通用定时器是可选的，按照笔者学习FreeRTOS和STM32的经验，猜测Linux会将这个通用定时器作为Linux系统时钟源(前提是SOC得选配这个通用定时器)。具体是怎么做的笔者没有深入研究过，这里仅仅是猜测！不过对于我们Linux驱动编写者来说，不需要深入研究这些具体的实现，只需要掌握相应的API函数即可，除非你是内核编写者或者内核爱好者。
   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，在内核源码目录下执行下面这条命令进入到menuconfig配置界面：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

复制代码

按照如下路径打开配置界面：

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

复制代码

选中“Timer frequency”，打开以后如图 32.1.1所示：

图 32.1.1 系统节拍率设置

从图 32.1.1可以看出，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，在此文件中有如所示定义：

图 32.1.2 系统节拍率

图 32.1.2中的CONFIG_HZ为100，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：

示例代码 32.1.1 include/asm-generic/param.h文件代码段
6 # undef HZ
7 # define HZ CONFIG_HZ
8 # define USER_HZ 100
9 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)

复制代码

   第7行定义了一个宏HZ，宏HZ就是CONFIG_HZ，因此HZ=100，我们后面编写Linux驱动的时候会常常用到HZ，因为HZ表示一秒的节拍数，也就是频率。
   大多数初学者看到系统节拍率默认为100Hz的时候都会有疑问，怎么这么小？100Hz是可选的节拍率里面最小的。为什么不选择大一点的呢？这里就引出了一个问题：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，本教程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：

示例代码 32.1.2 include/jiffies.h文件代码段
76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

复制代码

   第76行，定义了一个64位的jiffies_64。
   第77行，定义了一个unsigned long类型的32位的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 32.1.3所示：

图 32.1.3 jiffies_64和jiffies结构图

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为的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 32.1.1所示的几个API函数来处理绕回。

表 32.1.1 处理绕回的API函数

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：

示例代码 32.1.3 使用jiffies判断超时
1 unsigned long timeout;
2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
3
4 /*************************************
5 具体的代码
6 ************************************/
7
8 /* 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 }

复制代码

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 32.1.2所示：

表 32.1.2 jiffies和ms、us、ns之间的转换函数

1.1.2内核定时器简介
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，用软件的方式来实现，并不是SoC提供硬件定时器。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(省略掉条件编译)：

示例代码 32.1.4 timer_list结构体
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;
};

复制代码

   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+(2*HZ)，因此expires=jiffies+(2*HZ)。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。
   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：

void init_timer(struct timer_list *timer)

复制代码

   函数参数和返回值含义如下：
   timer：要初始化定时器。
   返回值：没有返回值。
   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)

复制代码

   函数参数和返回值含义如下：
   timer：要注册的定时器。
   返回值：没有返回值。
   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)

复制代码

   函数参数和返回值含义如下：
   timer：要删除的定时器。
   返回值：0，定时器还没被激活；1，定时器已经激活。
   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)

复制代码

   函数参数和返回值含义如下：
   timer：要删除的定时器。
   返回值：0，定时器还没被激活；1，定时器已经激活。
   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)

复制代码

   函数参数和返回值含义如下：
   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，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。
   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：

示例代码 32.1.5 内核定时器使用方法演示
1 struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
2
3 /* 定时器回调函数 */
4 void function(unsigned long arg)
5 {
6 /*
7 * 定时器处理代码
8 */
9
10 /* 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 }
15
16 /* 初始化函数 */
17 void init(void)
18 {
19 init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
20
21 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 */
24
25 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
26 }
27
28 /* 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 }

复制代码

1.1.3Linux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 32.1.3所示：

表 32.1.3 内核短延时函数

   1.2硬件原理图分析
   本章使用通过设置一个定时器来实现周期性的闪烁LED灯，还是使用PS_LED0为例，关于PS_LED0的硬件原理图参考22.3小节即可。
   1.3实验程序编写
   本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\12_timer
   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PS_LED0，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。
1.3.1修改设备树文件
   本章实验使用到了LED灯，LED灯的设备树节点信息使用27.3.1小节创建的即可。
1.3.2定时器驱动程序编写
   在drivers目录下新建名为“12_timer”的文件夹，在12_timer目录下创建一个名为timer.c的源文件，在timer.c里面输入如下内容：

示例代码 32.3.1 timer.c文件代码段
1 /***************************************************************
2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
3 文件名 : timer.c
4 作者 : 邓涛
5 版本 : V1.0
6 描述 : linux内核定时器测试
7 其他 : 无
8 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
9 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
10 ***************************************************************/
11
12 #include <linux/kernel.h>
13 #include <linux/module.h>
14 #include <linux/errno.h>
15 #include <linux/gpio.h>
16 #include <asm/uaccess.h>
17 #include <linux/cdev.h>
18 #include <linux/of.h>
19 #include <linux/of_gpio.h>
20 #include <linux/timer.h>
21 #include <linux/types.h>
22
23 #define LED_CNT 1 /* 设备号个数 */
24 #define LED_NAME "led" /* 名字 */
25
26 /* ioctl函数命令定义 */
27 #define CMD_LED_CLOSE (_IO(0XEF, 0x1)) /* 关闭LED */
28 #define CMD_LED_OPEN (_IO(0XEF, 0x2)) /* 打开LED */
29 #define CMD_SET_PERIOD (_IO(0XEF, 0x3)) /* 设置LED闪烁频率 */
30
31
32 /* led设备结构体 */
33 struct led_dev {
34 dev_t devid; /* 设备号 */
35 struct cdev cdev; /* cdev */
36 struct class *class; /* 类 */
37 struct device *device; /* 设备 */
38 int major; /* 主设备号 */
39 int minor; /* 次设备号 */
40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41 int led_gpio; /* GPIO编号 */
42 int period; /* 定时周期,单位为ms */
43 struct timer_list timer; /* 定义一个定时器 */
44 spinlock_t spinlock; /* 定义自旋锁 */
45 };
46
47 static struct led_dev led; /* led设备 */
48
49 /*
50 * @description : 打开设备
51 * @param – inode : 传递给驱动的inode
52 * @param – filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
53 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
54 * @return : 0 成功;其他失败
55 */
56 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
57 {
58 return 0;
59 }
60
61 /*
62 * @description : 从设备读取数据
63 * @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
64 * @param – buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
65 * @param – cnt : 要读取的数据长度
66 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
67 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
68 */
69 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
70 size_t cnt, loff_t *offt)
71 {
72 return 0;
73 }
74
75 /*
76 * @description : 向设备写数据
77 * @param – filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
78 * @param – buf : 要写给设备写入的数据
79 * @param – cnt : 要写入的数据长度
80 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
81 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
82 */
83 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
84 size_t cnt, loff_t *offt)
85 {
86 return 0;
87 }
88
89 /*
90 * @description : 关闭/释放设备
91 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
92 * @return : 0 成功;其他失败
93 */
94 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
95 {
96 return 0;
97 }
98
99 /*
100 * @description : ioctl函数，
101 * @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
102 * @param – cmd : 应用程序发送过来的命令
103 * @param – arg : 参数
104 * @return : 0 成功;其他失败
105 */
106 static long led_unlocked_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
107 unsigned long arg)
108 {
109 unsigned long flags;
110
111 /* 自旋锁上锁 */
112 spin_lock_irqsave(&led.spinlock, flags);
113
114 switch (cmd) {
115
116 case CMD_LED_CLOSE:
117 del_timer_sync(&led.timer);
118 gpio_set_value(led.led_gpio, 0);
119 break;
120
121 case CMD_LED_OPEN:
122 del_timer_sync(&led.timer);
123 gpio_set_value(led.led_gpio, 1);
124 break;
125
126 case CMD_SET_PERIOD:
127 led.period = arg;
128 mod_timer(&led.timer, jiffies + msecs_to_jiffies(arg));
129 break;
130
131 default: break;
132 }
133
134 /* 自旋锁解锁 */
135 spin_unlock_irqrestore(&led.spinlock, flags);
136
137 return 0;
138 }
139
140 /* 设备操作函数 */
141 static struct file_operations led_fops = {
142 .owner = THIS_MODULE,
143 .open = led_open,
144 .read = led_read,
145 .write = led_write,
146 .release = led_release,
147 .unlocked_ioctl = led_unlocked_ioctl,
148 };
149
150 /* 定时器回调函数 */
151 static void led_timer_function(unsigned long arg)
152 {
153 static bool on = 1;
154 unsigned long flags;
155
156 /* 每次都取反，实现LED灯反转 */
157 on = !on;
158
159 /* 自旋锁上锁 */
160 spin_lock_irqsave(&led.spinlock, flags);
161
162 /* 设置GPIO电平状态 */
163 gpio_set_value(led.led_gpio, on);
164
165 /* 重启定时器 */
166 mod_timer(&led.timer, jiffies + msecs_to_jiffies(led.period));
167
168 /* 自旋锁解锁 */
169 spin_unlock_irqrestore(&led.spinlock, flags);
170 }
171
172 static int __init led_init(void)
173 {
174 const char *str;
175 int val;
176 int ret;
177
178 /* 初始化自旋锁 */
179 spin_lock_init(&led.spinlock);
180
181 /* 1.获取led设备节点 */
182 led.nd = of_find_node_by_path("/led");
183 if(NULL == led.nd) {
184 printk(KERN_ERR "led: Failed to get led node\n");
185 return -EINVAL;
186 }
187
188 /* 2.读取status属性 */
189 ret = of_property_read_string(led.nd, "status", &str);
190 if(!ret) {
191 if (strcmp(str, "okay"))
192 return -EINVAL;
193 }
194
195 /* 3.获取compatible属性值并进行匹配 */
196 ret = of_property_read_string(led.nd, "compatible", &str);
197 if(ret) {
198 printk(KERN_ERR "led: Failed to get compatible property\n");
199 return ret;
200 }
201
202 if (strcmp(str, "alientek,led")) {
203 printk(KERN_ERR "led: Compatible match failed\n");
204 return -EINVAL;
205 }
206
207 printk(KERN_INFO "led: device matching successful!\r\n");
208
209 /* 4.获取设备树中的led-gpio属性，得到LED所使用的GPIO编号 */
210 led.led_gpio = of_get_named_gpio(led.nd, "led-gpio", 0);
211 if(!gpio_is_valid(led.led_gpio)) {
212 printk(KERN_ERR "led: Failed to get led-gpio\n");
213 return -EINVAL;
214 }
215
216 printk(KERN_INFO "led: led-gpio num = %d\r\n", led.led_gpio);
217
218 /* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
219 ret = gpio_request(led.led_gpio, "LED Gpio");
220 if (ret) {
221 printk(KERN_ERR "led: Failed to request led-gpio\n");
222 return ret;
223 }
224
225 /* 6.设置LED灯初始状态 */
226 ret = of_property_read_string(led.nd, "default-state", &str);
227 if(!ret) {
228 if (!strcmp(str, "on"))
229 val = 1;
230 else
231 val = 0;
232 } else
233 val = 0;
234
235 gpio_direction_output(led.led_gpio, val);
236
237 /* 7.注册字符设备驱动 */
238 /* 创建设备号 */
239 if (led.major) {
240 led.devid = MKDEV(led.major, 0);
241 ret = register_chrdev_region(led.devid, LED_CNT, LED_NAME);
242 if (ret)
243 goto out1;
244 } else {
245 ret = alloc_chrdev_region(&led.devid, 0, LED_CNT, LED_NAME);
246 if (ret)
247 goto out1;
248
249 led.major = MAJOR(led.devid);
250 led.minor = MINOR(led.devid);
251 }
252
253 printk(KERN_INFO "led: major=%d, minor=%d\r\n", led.major, led.minor);
254
255 /* 初始化cdev */
256 led.cdev.owner = THIS_MODULE;
257 cdev_init(&led.cdev, &led_fops);
258
259 /* 添加cdev */
260 ret = cdev_add(&led.cdev, led.devid, LED_CNT);
261 if (ret)
262 goto out2;
263
264 /* 创建类 */
265 led.class = class_create(THIS_MODULE, LED_NAME);
266 if (IS_ERR(led.class)) {
267 ret = PTR_ERR(led.class);
268 goto out3;
269 }
270
271 /* 创建设备 */
272 led.device = device_create(led.class, NULL,
273 led.devid, NULL, LED_NAME);
274 if (IS_ERR(led.device)) {
275 ret = PTR_ERR(led.device);
276 goto out4;
277 }
278
279 /* 8.初始化timer，绑定定时器处理函数，此时还未设置周期，所以不会激活定时器 */
280 init_timer(&led.timer);
281 led.timer.function = led_timer_function;
282
283 return 0;
284
285 out4:
286 class_destroy(led.class);
287
288 out3:
289 cdev_del(&led.cdev);
290
291 out2:
292 unregister_chrdev_region(led.devid, LED_CNT);
293
294 out1:
295 gpio_free(led.led_gpio);
296
297 return ret;
298 }
299
300 static void __exit led_exit(void)
301 {
302 /* 删除定时器 */
303 del_timer_sync(&led.timer);
304
305 /* 注销设备 */
306 device_destroy(led.class, led.devid);
307
308 /* 注销类 */
309 class_destroy(led.class);
310
311 /* 删除cdev */
312 cdev_del(&led.cdev);
313
314 /* 注销设备号 */
315 unregister_chrdev_region(led.devid, LED_CNT);
316
317 /* 释放GPIO */
318 gpio_free(led.led_gpio);
319 }
320
321 /* 驱动模块入口和出口函数注册 */
322 module_init(led_init);
323 module_exit(led_exit);
324
325 MODULE_AUTHOR("DengTao <<a href="mailto:773904075@qq.com">773904075@qq.com</a>>");
326 MODULE_DESCRIPTION("Alientek Gpio LED Driver");
327 MODULE_LICENSE("GPL");

复制代码

   第33~45行，led设备结构体，在43行定义了一个定时器成员变量timer；在44行定义了一个自旋锁变量，用于对必要的代码段进行保护。
   第106~138行，函数led_unlocked_ioctl，对应应用程序的ioctl函数，应用程序调用ioctl函数向驱动发送控制信息，此函数响应并执行。此函数有三个参数：filp，cmd和arg，其中filp是对应的设备文件，cmd是应用程序发送过来的命令信息，arg是应用程序发送过来的参数，在本章例程中arg参数表示定时周期。
   本驱动成需一共定义了三种命令：CMD_LED_CLOSE、CMD_LED_OPEN和CMD_SET_PERIOD，这三个命令分别为熄灭LED灯、点亮LED灯（常亮）、LED灯闪烁。这三个命令的作用如下：
   CMD_LED_CLOSE：熄灭LED灯，首先调用del_timer_sync函数关闭定时器，然后再将LED熄灭。
   CMD_LED_OPEN：LED灯常亮，首先也是调用del_timer_sync函数关闭定时器，然后再将LED点亮。
       CMD_SET_PERIOD：让LED灯闪烁，参数arg就是闪烁周期，单位为毫秒（ms）；从应用层传递过来的，将led的period成员变量设置为arg所表示定时周期，然后使用mod_timer打开定时器，使定时器以新的周期运行。
   在led_unlocked_ioctl函数中使用了自旋锁对代码段进行保护。
   第141~148行，led设备驱动操作函数集led_fops，在led的操作函数集中，led_read和led_write函数在本驱动程序中都没被用到，因为应用程序使用了ioctl函数对设备进行控制，所以驱动要定义led_unlocked_ioctl。
   第151~170行，函数led_timer_function，定时器服务函数，此函有一个参数arg，在初始化定时器的时候可以设置传递给led_timer_function函数的参数，不过在本例中我们没有用到。当定时周期到了以后此函数就会被调用；第157行，每次进入定时器服务函数都会将变量取反，实现LED灯闪烁的效果。因为内核定时器不是循环的定时器，执行一次以后就结束了，因此在166行又调用了mod_timer函数重新开启定时器；同样在这个服务函数中也使用了自旋锁进行保护！
   第172~298行，函数led_init，驱动入口函数。在179行初始化自旋锁；第280~281行，初始化定时器，设置定时器的定时处理函数为led_timer_function，在led_init函数中并没有调用timer_add函数来开启定时器，因此定时器默认是关闭的，除非应用程序发送打开命令。
   第300~319行，驱动出口函数。第303行调用del_timer_sync函数删除定时器，也可以使用del_timer函数。
1.3.3编写测试APP
   测试APP我们要实现的内容如下：
   ①运行APP以后提示我们输入LED灯控制命令，输入0表示熄灭LED、输入1表示点亮LED，输入2表示让LED灯周期性闪烁，并且此时提示再次输入闪烁周期，单位为毫秒。
   ②输入3则表示退出测试APP程序。
   好了搞清楚我们的逻辑、需求之后就可以开始编写测试程序了，在12_timer目录下新建名为timerApp.c的文件，然后输入如下所示内容：

示例代码 32.3.2 timerApp.c文件代码段
1 /***************************************************************
3 文件名 : timerApp.c
4 作者 : 邓涛
5 版本 : V1.0
6 描述 : linux内核定时器测试程序
7 其他 : 无
8 使用方法 : ./timerApp /dev/led
9 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
10 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
11 ***************************************************************/
12
13 #include <stdio.h>
14 #include <unistd.h>
15 #include <sys/types.h>
16 #include <sys/stat.h>
17 #include <fcntl.h>
18 #include <stdlib.h>
19 #include <string.h>
20 #include <sys/ioctl.h>
21
22 /* ioctl命令 */
23 #define CMD_LED_CLOSE (_IO(0XEF, 0x1)) /* 关闭LED */
24 #define CMD_LED_OPEN (_IO(0XEF, 0x2)) /* 打开LED */
25 #define CMD_SET_PERIOD (_IO(0XEF, 0x3)) /* 设置LED闪烁频率 */
26
27 /*
28 * @description : main主程序
29 * @param – argc : argv数组元素个数
30 * @param – argv : 具体参数
31 * @return : 0 成功;其他失败
32 */
33 int main(int argc, char *argv[])
34 {
35 int fd, ret;
36 unsigned int cmd;
37 unsigned int period;
38
39 if(2 != argc) {
40 printf("Usage:\n"
41 "\t./timerApp /dev/led @ open LED device\n"
42 );
43 return -1;
44 }
45
46 /* 打开设备 */
47 fd = open(argv[1], O_RDWR);
48 if(0 > fd) {
49 printf("ERROR: %s file open failed!\r\n", argv[1]);
50 return -1;
51 }
52
53 /* 通过命令控制LED设备 */
54 for ( ; ; ) {
55
56 printf("Input CMD:");
57 scanf("%d", &cmd);
58
59 switch (cmd) {
60
61 case 0:
62 cmd = CMD_LED_CLOSE;
63 break;
64
65 case 1:
66 cmd = CMD_LED_OPEN;
67 break;
68
69 case 2:
70 cmd = CMD_SET_PERIOD;
71 printf("Input Timer Period:");
72 scanf("%d", &period);
73 break;
74
75 case 3:
76 close(fd);
77 return 0;
78
79 default: break;
80 }
81
82 ioctl(fd, cmd, period);
83 }
84 }

复制代码

   第23~25行，ioctl命令值，这个命令值跟驱动中定义的是一样的。
   第54~83行，在for循环中，首先让用户输入要测试的命令，例如输入0表示关闭LED，将cmd设置为CMD_LED_CLOSE；输入1表示打开LED灯，将cmd设置为CMD_LED_OPEN；输入2表示让LED灯周期性闪烁，让后再提示用户输入闪烁周期。
   上面的命令输入完成之后，第82行通过调用ioctl函数发送cmd给驱动程序，并且ioctl函数的arg参数就是用户输入的周期值（当用户输入命令为2时）。
   测试完成之后用户可以输入3命令退出测试程序。
   1.4运行测试
1.4.1编译驱动程序和测试APP
   1、编译驱动程序
   编写Makefile文件，将第三十一章实验目录11_key下的Makefile文件拷贝到当前实验目录下，打开Makfile文件，将obj-m变量的值改为timer.o，修改完成之后Makefile内容如下所示：

示例代码 32.4.1 Makefile文件
1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
2
3 obj-m := timer.o
4
5 all:
6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
7
8 clean:
9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为timer.o。
修改完成之后保存退出，在实验目录下输入如下命令编译出驱动模块文件：

make

复制代码

编译成功以后就会生成一个名为“timer.ko”的驱动模块文件，如下所示：

图 32.4.1 编译timer驱动模块

2、编译测试APP
输入如下命令编译测试timerApp.c这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc timerApp.c -o timerApp

复制代码

编译成功以后就会生成timerApp这个应用程序。
1.4.2运行测试
将上一小节编译出来的timer.ko和timerApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx中，输入如下命令加载timer.ko驱动模块：

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

复制代码

驱动加载成功以后如下命令来测试：

./timerApp /dev/timer

复制代码

输入上述命令以后终端提示输入命令，如所示：

图 32.4.2 运行timerApp测试程序

输入“0”回车，关闭LED；输入1回车，点亮LED；输入2回车之后，又会提示用户输入一个闪烁周期值，以毫秒为单位，操作如下所示：

图 32.4.3 输入相应数字执行命令

上面输入“50”，表示设置定时器周期值为50ms，设置好以后LED灯就会以50ms为间隔，开始闪烁。测试完成之后我们可以输入3退出测试APP。这里需要注意的是，我们的测试程序代码中并没有对输入的内容做检测，所以如果输入了其它的字符可能会导致奇怪的现象！当然大家可以对测试程序代码进行完善。
通过下面的命令卸载驱动模块：

rmmod timer.ko

复制代码

《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》第三十二章 内核定时器

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