致敬英雄！

文章目錄

一、Linux內核定時器初探

1.1、圖形界面配置系統節拍率

中斷週期性產生的頻率就是系統頻率，也叫做節拍率(tick rate)，單位是 Hz。系統節拍率是可以設置的，在編譯 Linux 內核的時候可以通過圖形化界面設置系統節拍率。

進入Linux內核源碼目錄，終端輸入make menuconfig，依次選擇Kernel Features -> Timer frequency，切換到100Hz，按下空格，進行選中！

設置好之後，保存退出。在內核源碼根目錄，查看.cofig文件內容，可以看到有如下宏定義！

1.2、重要全局變量`jiffies`

在上一步，我們採用了 100Hz 的節拍率，這樣時間精度就是 10ms。不管是 32 位的系統還是 64 位系統，都可以使用 jiffies來記錄系統從啓動以來的系統節拍數。（初始化默認爲0）

100HZ 表示1秒有100個節拍， jiffies 表示系統運行的總節拍數。那麼後者除以前者，即可得到系統的運行時間。不管是 32 位還是 64 位的 jiffies，都有溢出的風險，溢出以後會重新從 0 開始計數，相當於繞回來了，因此該現象稱之爲繞回現象。處理 jiffies 的繞回顯得尤爲重要，Linux 內核提供瞭如下表所示的幾個 API 函數來處理繞回。

函數	描述
time_after(unkown, known)	unkown > kown，返回真
time_before(unkown, known)	unkown < kown，返回真
time_after_eq(unkown, known)	unkown ≥ kown，返回真
time_before_eq(unkown, known)	unkown ≤ kown，返回真

注：表中的unkown 通常爲 jiffies， known 通常是需要對比的值。

爲了方便開發， Linux 內核提供了幾個 jiffies 和 ms、 us、 ns 之間的轉換函數，如下表

函數	描述
int jiffies_to_msecs(const unsigned long j)	jiffies轉化爲對應的ms
int jiffies_to_usecs(const unsigned long j)	jiffies轉化爲對應的us
u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j)	jiffies轉化爲對應的ns
long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)	ms轉化爲對應的jiffies
long usecs_to_jiffies(const unsigned int u)	us轉化爲對應的jiffies
unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n)	ns轉化爲對應的jiffies

這裏再補充一下Linux 內核短延時函數

函數	描述
void ndelay(unsigned long nsecs)	ns延時
void udelay(unsigned long usecs)	us延時
void mdelay(unsigned long mseces)	ms延時

1.3、內核定時器中斷

Linux 內核定時器使用很簡單，只需要提供超時時間(相當於定時值)和定時處理函數即可，當超時時間到了以後設置的定時處理函數就會執行。要注意一點，內核定時器並不是週期性運行的，超時以後就會自動關閉，因此如果想要實現週期性定時，那麼就需要在定時處理函數中重新開啓定時器。

Linux 內核使用 timer_list 結構體表示內核定時器，定義如下

struct timer_list {
	struct list_head entry;
	unsigned long expires; /* 定時器超時時間，單位是節拍數 */
	struct tvec_base *base;
	void (*function)(unsigned long); /* 定時處理函數 */
	unsigned long data; /* 要傳遞給 function 函數的參數 */
	int slack;
};

比如我們要定義一個週期爲2s的定時器，那麼expires = jiffies + msecs_to_jiffies(timerperiod)，

定時器相關API函數

函數	描述
init_timer	初始化 timer_list 類型變量
add_timer	向 Linux 內核註冊定時器
del_timer	刪除一個定時器(不管有沒有激活，立即刪除)(不常用)
del_timer_sync	使用完定時器再刪除，不能使用在中斷上下文
mod_timer	修改定時值(會激活定時器，一般放到中斷函數尾，用於週期定時)

使用流程

struct timer_list timer; /* 定義定時器 */

/* 定時器回調函數 */
void function(unsigned long arg)
{
/*
 * 定時器處理代碼
 */
 
/* 如果需要定時器週期性運行的話就使用 mod_timer
 * 函數重新設置超時值並且啓動定時器。
 */
	mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
}

/* 初始化函數 */
void init(void)
{
	init_timer(&timer); /* 初始化定時器 */

	timer.function = function; /* 設置定時處理函數 */
	timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超時時間 2 秒 */
	timer.data = (unsigned long)&dev; /* 將設備結構體作爲參數 */

	add_timer(&timer); /* 啓動定時器 */
}

/* 退出函數 */
void exit(void)
{
	del_timer(&timer); /* 刪除定時器 */
	/* 或者使用 */
	del_timer_sync(&timer);
}

1.4、ioctl 簡單介紹

ioctl 系統調用主要用於增加系統調用的硬件控制能力，它可以構建自己的命令，也能接受參數。通過 ioctl 控制硬件 I/O，必須在驅動中爲 ioctl()系統調用設計一些控制命令，通過不同的命令實現不同的硬件控制。更加深入研究，可參考<這裏>。

1.4.1 應用程序 ioctl 函數

用戶空間的 ioctl 函數原型如下所示，

int ioctl (int fd, unsigned long cmd, ...)

fd 是被打開的設備文件， cmd 是操作設備的命令，“ …”代表可變數目的參數表，通常用 char *argp 來定義，如果 cmd 命令不需要參數，則傳入 NULL 即可。

1.4.2 驅動程序 ioctl 函數

內核空間 iotcl 函數原型如下所示，定義的 ioctl 命令通過 cmd 傳遞，數據通過 arg 傳遞。驅動得到 cmd 命令和 arg 參數後，須首先用解析 ioctl 命令的宏定義對命令和參數進行解析判斷，沒有問題再進行後續處理。

int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

filp 表示文件描述符，cmd表示命令，arg表示與命令相關的參數，至於參數具體表達什麼含義，完全由驅動編寫者來定義。

1.4.3 ioctl 命令構成

ioctl 操作與硬件平臺相關，使用 ioctl 的驅動需要包含<linux/ioctl.h>文件。每個 ioctl 命令cmd實際上都是一個 32 位整型數，各字段和含義如下表所示。

例如，0x82187201，它的二進制如下表所示。所以含義爲：讀：_IOR；參數長度536；幻數114，ASCII爲r，功能號1.

字段	31~30	29~16	15~8	7~0
二進制	10	00 0010 0001 1000	0111 0010	0000 0001

實際上這個命令是<linux/msdos_fs.h>中的 VFAT_IOCTL_READDIR_BOTH 命令：#define VFAT_IOCTL_READDIR_BOTH _IOR('r', 1, struct __fat_dirent[2])

1.4.4 構造ioctl命令

爲驅動構造 ioctl 命令，首先要爲驅動選擇一個可用的幻數作爲驅動的特徵碼，以區分不同驅動的命令。內核已經使用了很多幻數，爲了防止衝突，最好不要再使用這些系統已經佔用的幻數來作爲驅動的特徵碼。已經被使用的幻數列表詳見內核源碼目錄Documentation/ioctl/ioctl-number.txt文件。
在不同平臺上，幻數所使用情況都不同，爲防止衝突，可以選擇其它平臺使用的幻數來用。選定幻數後，可以這樣來進行定義：

#define LED_IOC_MAGIC 'Z'

ioctl 命令字段的 bit[31:30]表示命令的方向，分別表示使用_IO、 _IOW、 _IOR 和_IOWR
這幾個宏定義，分別用於構造不同的命令，具體見下表：

命令	描述
_IO(type,nr)	構造無參數的命令編號
_IOW(type,nr,size)	構造往驅動寫入數據的命令編號
_IOR(type,nr,size)	構造從驅動中讀取數據的命令編號
_IOWR(type,nr,size)	構造雙向傳輸的命令編號

其中， type 是幻數， nr 是功能號， size 是數據大小。

例如，爲 LED 驅動構造 ioctl 命令，由於控制 LED 無需數據傳輸，可以這樣定義：

#define SET_LED_ON _IO(LED_IOC_MAGIC, 0)
#define SET_LED_OFF _IO(LED_IOC_MAGIC, 1)

例如，如果想在 ioctl 中往驅動寫入一個 int 型的數據，可以這樣定義：

#define CHAR_WRITE_DATA _IOW(CHAR_IOC_MAGIC, 2, int)

例如，要從驅動中讀取 int 型的數據，則定義爲：

#define CHAR_READ_DATA _IOR(CHAR_IOC_MAGIC, 3, int)

注意：同一份驅動的 ioctl 命令定義，無論有無數據傳輸以及數據傳輸方向是否相同，各命令的序號都不能相同

定義完全部所需命令後，還需定義一個命令的最大的編號，防止傳入參數超過編號範圍。

1.4.5 解析 ioctl 命令

驅動程序必須對傳入的命令進行解析，包括傳輸方向、命令類型、命令編號以及參數大
小，分別可以通過下表的宏定義完成：

宏定義	描述
_IOC_DIR(nr)	解析命令的傳輸方向
_IOC_TYPE(nr)	解析命令類型
_IOC_NR(nr)	解析命令序號
_IOC_SIZE(nr)	解析參數大小

如果解析發現命令出錯，可以返回-ENOTTY，如：

if (_IOC_TYPE(cmd) != LED_IOC_MAGIC) {
	return -ENOTTY;
}
if (_IOC_NR(cmd) >= LED_IOC_MAXNR) {
	return -ENOTTY;
}

二、編寫代碼

2.1 修改、編譯、覆蓋設備樹文件

參考第九節內容。

2.2 驅動程序編寫

這一次將驅動程序的框架又完善了一下，認真體會！

leddrv.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/timer.h>


#define DEV_CNT			1		/* 設備個數 	*/
#define DEV_NAME		"led"	/* 設備名字 	*/

#define CLOSE_CMD 		(_IO(0XEF, 0x1))	/* 關閉定時器 */
#define OPEN_CMD		(_IO(0XEF, 0x2))	/* 打開定時器 */
#define SETPERIOD_CMD	(_IO(0XEF, 0x3))	/* 設置定時器週期命令 */


/* 定義led_dev設備結構體 */
struct led_dev{
	dev_t devid;				/* 設備號 	 */
	struct cdev cdev;			/* cdev 	*/
	struct class *class;		/* 類 		*/
	struct device *device;		/* 設備 	 */
	int major;					/* 主設備號	  */
	int minor;					/* 次設備號   */
	/*GPIO子系統*/
	struct gpio_desc *led_gpio;	/* GPIO子系統接口   */
	/*定時器*/
	int timeperiod; 			/* 定時週期,單位爲ms */
	struct timer_list timer;	/* 定義一個定時器*/
	/*自旋鎖*/
	spinlock_t lock;			/* 定義自旋鎖 */
};

struct led_dev leddev;	/* led設備 */


static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	file->private_data = &leddev;	/* 設置私有數據 */
	leddev.timeperiod = 1000;		/* 默認週期爲1s */

	gpiod_direction_output(leddev.led_gpio, 1);	/* 初始化LED - on */

	return 0;
}

static long led_drv_unlocked_ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	struct led_dev *dev =  (struct led_dev *)file->private_data;
	int timerperiod;
	unsigned long flags;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	
	switch (cmd) {
		case CLOSE_CMD:		/* 關閉定時器 */
			del_timer_sync(&dev->timer);
			break;
		case OPEN_CMD:		/* 打開定時器 */
			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: /* 設置定時器週期 */
			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;
}

/* 定義自己的file_operations結構體                                              */
static struct file_operations led_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = led_drv_open,
	.unlocked_ioctl = led_drv_unlocked_ioctl,
};

/* 定時器回調函數 */
void timer_function(unsigned long arg)
{
	struct led_dev *dev = (struct led_dev *)arg;
	static int sta = 1;
	int timerperiod;
	unsigned long flags;

	sta = !sta;		/* 每次都取反，實現LED燈反轉 */
	gpiod_set_value(dev->led_gpio, sta);/* 用的時候需要強制轉化爲struct led_dev*，並且只能用->運算符 */

	/* 重啓定時器 */
	spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);
	timerperiod = dev->timeperiod;
	spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);
	mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timerperiod)); 
 }

/*   從platform_device獲得GPIO
 *   把file_operations結構體告訴內核：註冊驅動程序
 */
static int chip_demo_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	/* 1、從設備樹中獲取資源。設備樹中定義有: led-gpios=<...>;	*/
    leddev.led_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "led", 0);
	if (IS_ERR(leddev.led_gpio)) {
		dev_err(&pdev->dev, "Failed to get GPIO for led\n");
		return PTR_ERR(leddev.led_gpio);
	}

	/* 2、註冊字符設備驅動 */
	/* ①、創建設備號 */
	if (leddev.major) {		/*  定義了設備號 */
		leddev.devid = MKDEV(leddev.major, 0);
		register_chrdev_region(leddev.devid, DEV_CNT, DEV_NAME);
	} else {						/* 沒有定義設備號 */
		alloc_chrdev_region(&leddev.devid, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);	/* 申請設備號 */
		leddev.major = MAJOR(leddev.devid);	/* 獲取分配號的主設備號 */
		leddev.minor = MINOR(leddev.devid);	/* 獲取分配號的次設備號 */
	}
	
	/* ②、初始化cdev */
	leddev.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&leddev.cdev, &led_drv);
	
	/* ③、添加一個cdev */
	cdev_add(&leddev.cdev, leddev.devid, DEV_CNT);

	/* ④、創建類 */
	leddev.class = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);
	if (IS_ERR(leddev.class)) {
		return PTR_ERR(leddev.class);
	}

	/* ⑤、創建設備 */
	leddev.device = device_create(leddev.class, NULL, leddev.devid, NULL, DEV_NAME);
	if (IS_ERR(leddev.device)) {
		return PTR_ERR(leddev.device);
	}
	
	/* 初始化自旋鎖 */
	spin_lock_init(&leddev.lock);
	/* 初始化timer，設置定時器處理函數,還未設置週期，所以不會激活定時器 */
	init_timer(&leddev.timer);
	leddev.timer.function = timer_function;
	/* 注意leddev類型是結構體led_dev,這裏取地址然後強制轉化爲unsigned long，用的時候需要強制轉化爲struct led_dev* */
	leddev.timer.data = (unsigned long)&leddev;
	
	return 0;
}

static int chip_demo_gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{
	gpiod_set_value(leddev.led_gpio, 0);/* 卸載驅動的時候關閉LED */

	gpiod_put(leddev.led_gpio);
	del_timer_sync(&leddev.timer);		/* 刪除timer */

	/* 註銷字符設備驅動 */
	cdev_del(&leddev.cdev);/*  刪除cdev */
	unregister_chrdev_region(leddev.devid, DEV_CNT); /* 註銷設備號 */
	device_destroy(leddev.class, leddev.devid);
	class_destroy(leddev.class);	
    
    return 0;
}


static const struct of_device_id ask100_leds[] = {
    { .compatible = "100ask,leddrv" },
    { },
};

/* 1. 定義platform_driver */
static struct platform_driver chip_demo_gpio_driver = {
    .probe      = chip_demo_gpio_probe,
    .remove     = chip_demo_gpio_remove,
    .driver     = {
        .name   = "100ask_led",
        .of_match_table = ask100_leds,
    },
};

/* 2. 在入口函數註冊platform_driver */
static int __init led_init(void)
{
    int err;

	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	
    err = platform_driver_register(&chip_demo_gpio_driver);
	
	return err;
}

/* 3. 有入口函數就應該有出口函數：卸載驅動程序時，就會去調用這個出口函數
 *     卸載platform_driver
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

    platform_driver_unregister(&chip_demo_gpio_driver);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

需要說明的：

①、燈的狀態
- 設備樹中設置低電平有效，打開-紅色-寫1 關閉-白色-寫0
②、使用自旋鎖
- 取出定時週期值的時候，timerperiod = dev->timeperiod;
- 設置定時週期的時候，dev->timeperiod = arg;
③、ioctl
- 幻數0xEF，對應十進制239，對應ASCII爲符號'∩'！(不是小寫字母n，數學符號交集)
- 驅動程序中，爲了方便並沒有做解析，而是直接switch-case選擇！
④、私有數據
- 一般在open的時候將file結構體中的private_data指向設備結構體，即設置私有數據！
⑤、修改定時器
- 修改定時器會激活定時器
- msecs_to_jiffies轉換系統節拍的時候，藉助的是第三方變量，而沒有直接操作dev->timeperiod
⑥、強制轉化
- 程序中涉及到結構體和unsigned long的轉化，注意體會思想，也可參考<這篇>文章裏的強制轉化進行理解！
所有LED相關的放到了一個設備結構體裏，然後引入私有數據的思想，值得認真體會！

2.2 應用程序編寫

ledtest.c

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "linux/ioctl.h"

/* 命令值 */
#define CLOSE_CMD 		(_IO(0XEF, 0x1))	/* 關閉定時器 */
#define OPEN_CMD		(_IO(0XEF, 0x2))	/* 打開定時器 */
#define SETPERIOD_CMD	(_IO(0XEF, 0x3))	/* 設置定時器週期命令 */

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) {				/* 參數輸入錯誤 */
			gets(str);				/* 防止卡死 */
		}

		if(cmd == 1)				/* 關閉LED燈 */
			cmd = CLOSE_CMD;
		else if(cmd == 2)			/* 打開LED燈 */
			cmd = OPEN_CMD;
		else if(cmd == 3) {
			cmd = SETPERIOD_CMD;	/* 設置週期值 */
			printf("Input Timer Period:");
			ret = scanf("%d", &arg);
			if (ret != 1) {			/* 參數輸入錯誤 */
				gets(str);			/* 防止卡死 */
			}
		}
		ioctl(fd, cmd, arg);		/* 控制定時器的打開和關閉 */	
	}

	close(fd);
}

需要說明的

gets的加入可能會讓程序編譯的時候有警告，忽略即可！
實現功能
- 輸入 1 表示關閉定時器
- 輸入 2 表示打開定時器
- 輸入 3 設置定時器週期
  - 選擇設置定時器週期的話，接着需要輸入設置的週期值，單位爲毫秒

三、運行程序

編譯程序沒有問題後，運行qemu虛擬開發板，並做好準備工作！將

拷貝led.ko和ledtest到NFS中

cp *.ko ledtest ~/linux/qemu/NFS/

在qemu終端，加載led.ko文件

insmod leddrv.ko

在qemu中加載最後一個模塊時，會出現下面的提示信息，但是ctrl+c之後，似乎測試還是可以用的，不知道是怎麼回事。知道的朋友，可以在下面留言一起探討！

在qemu終端，運行應用程序

./ledtest /dev/led

同時，可以看到，qemu模擬板的第一個小燈，又白色變成紅色表示打開。同時終端會提示讓繼續輸入命令，我們嘗試輸入2，打開定時器，觀察小燈閃爍！【無法錄屏，這裏就不放圖了】

接着輸入1，關閉定時器，取消LED閃爍！

最後輸入3，自定義LED閃爍時間爲2000ms！

大功告成，還是很完美的！

【嵌入式Linux驅動開發】十四、瞭解Linux內核定時器使用流程，實現LED閃爍

文章目錄

一、Linux內核定時器初探

1.1、圖形界面配置系統節拍率

1.2、重要全局變量`jiffies`

1.3、內核定時器中斷

1.4、ioctl 簡單介紹

1.4.1 應用程序 ioctl 函數

1.4.2 驅動程序 ioctl 函數

1.4.3 ioctl 命令構成

1.4.4 構造ioctl命令

1.4.5 解析 ioctl 命令

二、編寫代碼

2.1 修改、編譯、覆蓋設備樹文件

2.2 驅動程序編寫

2.2 應用程序編寫

三、運行程序

【正點原子I.MX6ULL驅動開發學習筆記】二、配置交叉編譯工具鏈，編譯U-boot和Linux內核源碼

【正點原子I.MX6ULL驅動開發學習筆記】一、基礎環境搭建，快速啓動開發板

爲什麼用MQTT不用TCP長連接透傳

【畢業設計】自動泊車系統（APS）記錄

【嵌入式Linux驅動開發】十五、實操Linux開發中的中斷，編寫第一個按鍵驅動程序

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結

【嵌入式Linux驅動開發】十四、瞭解Linux內核定時器使用流程，實現LED閃爍

文章目錄

一、Linux內核定時器初探

1.1、圖形界面配置系統節拍率

1.2、重要全局變量jiffies

1.3、內核定時器中斷

1.4、ioctl 簡單介紹

1.4.1 應用程序 ioctl 函數

1.4.2 驅動程序 ioctl 函數

1.4.3 ioctl 命令構成

1.4.4 構造ioctl命令

1.4.5 解析 ioctl 命令

二、編寫代碼

2.1 修改、編譯、覆蓋設備樹文件

2.2 驅動程序編寫

2.2 應用程序編寫

三、運行程序

1.2、重要全局變量`jiffies`