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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。
30.1 Linux时间管理和内核定时器简介 30.1.1 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100Hz、1000Hz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 ( [=y]) 选中“Timer frequency”，打开以后如图30.1.1.1所示： 
图30.1.1.1 系统节拍率设置 从图30.1.1.1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，在此文件中有如图30.1.1.2所示定义： 
图30.1.1.2系统节拍率 图30.1.1.2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30.1.1.1 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)
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30.1.1.2 include/jiffies.h文件代码段
80 extern u64 __cacheline_aligned_in_smp jiffies_64;
81 extern unsigned long volatile __cacheline_aligned_in_smp __jiffy_arch_data jiffies;
第80行，定义了一个64位的jiffies_64。
第81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30.1.1.3所示：
图30.1.1.3 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位的系统上读取的是jiffies，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内核提供了如表30.1.1.1所示的几个API函数来处理绕回。 
表30.1.1.1 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30.1.1.3 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 }
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50.1.1.2所示： 函
表30.1.1.2 jiffies和ms、us、ns之间的转换函数 30.1.2 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，并不是我们在裸机篇中讲解的PIT等硬件定时器。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：
示例代码30.1.2.1 timer_list结构体
11 struct timer_list {
12 /*
13 * All fields that change during normal runtime grouped to the
14 * same cacheline
15 */
16 struct hlist_node entry;
17 unsigned long expires; /* 定时器超时时间，单位是节拍数 */
18 void (*function)(struct timer_list *);/* 定时处理函数*/
19 u32 flags; /* 标志位 */
20
21 #ifdef CONFIG_LOCKDEP
22 struct lockdep_map lockdep_map;
23 #endif
24 };
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，function函数的形参就是我们定义的timer_list变量。
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、timer_setup函数 timer_setup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timer_setup初始化一下。timer_setup函数原型如下： void timer_setup(struct timer_list *timer, void (*func)(struct timer_list *), unsigned int flags) 函数参数和返回值含义如下： timer：要初始化定时器。 func：定时器的回调函数，此函数的形参是当前定时器的变量。 flags: 标志位，直接给0就行。 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) 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) 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) 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) 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30.1.2.2 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(struct timer_list *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 timer_setup(&timerdev.timer, timer_function, 0); /* 初始化定时器 */
20 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间2秒 */
21 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
22 }
23
24 /* 退出函数 */
25 void exit(void)
26 {
27 del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
28 /* 或者使用 */
29 del_timer_sync(&timer);
30 }
30.1.3 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，这三个函数如表30.1.3.1所示： 函数 描述
void ndelay(unsigned long nsecs) 纳秒、微秒和毫秒延时函数。
void udelay(unsigned long usecs)
void mdelay(unsigned long mseces)
表30.1.3.1 内核短延时函数 30.2 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，因此本章例程就使用到了一个LED灯，本实验的硬件原理参考21.2小节即可。 30.3 实验程序编写 本实验对应的例程路径为：开发板光盘1、程序源码2、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LED灯，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。 30.3.1 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25.4.1小节创建的即可。 30.3.2 定时器驱动程序编写 新建名为“12_timer”的文件夹，然后在12_timer文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为“timer”。工程创建好以后新建timer.c文件，在timer.c里面输入如下内容：
示例代码30.3.2.1 timer.c文件代码段
1 #include
2 #include
3 #include
4 #include
5 #include
6 #include
7 #include
8 #include
9 #include
10 #include
11 #include
12 #include
13 #include
14 #include
15 #include
16 #include
17 #include
18 #include
19 /***************************************************************
20 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
21 文件名 : timer.c
22 作者 : 正点原子Linux团队
23 版本 : V1.0
24 描述 : Linux内核定时器实验
25 其他 : 无
26 论坛 : www.openedv.com
27 日志 : 初版V1.0 2021/01/5 正点原子Linux团队创建
28 ***************************************************************/
29 #define TIMER_CNT 1 /* 设备号个数 */
30 #define TIMER_NAME "timer" /* 名字 */
31 #define CLOSE_CMD (_IO(0XEF, 0x1)) /* 关闭定时器 */
32 #define OPEN_CMD (_IO(0XEF, 0x2)) /* 打开定时器 */
33 #define SETPERIOD_CMD (_IO(0XEF, 0x3)) /* 设置定时器周期命令*/
34 #define LEDON 1 /* 开灯 */
35 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
36
37 /* timer设备结构体 */
38 struct timer_dev{
39 dev_t devid; /* 设备号 */
40 struct cdev cdev; /* cdev */
41 struct class *class; /* 类 */
42 struct device *device; /* 设备 */
43 int major; /* 主设备号 */
44 int minor; /* 次设备号 */
45 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
46 int led_gpio; /* key所使用的GPIO编号 */
47 int timeperiod; /* 定时周期,单位为ms */
48 struct timer_list timer; /* 定义一个定时器 */
49 spinlock_t lock; /* 定义自旋锁 */
50 };
51
52 struct timer_dev timerdev; /* timer设备 */
53
54 /*
55 * @description : 初始化LED灯IO，open函数打开驱动的时候
56 * 初始化LED灯所使用的GPIO引脚。
57 * @param : 无
58 * @return : 无
59 */
60 static int led_init(void)
61 {
62 int ret;
63 const char *str;
64
65 /* 设置LED所使用的GPIO */
66 /* 1、获取设备节点：timerdev */
67 timerdev.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
68 if(timerdev.nd == NULL) {
69 printk("timerdev node not find!\r\n");
70 return -EINVAL;
71 }
72
73 /* 2.读取status属性 */
74 ret = of_property_read_string(timerdev.nd, "status", &str);
75 if(ret timeperiod;
158 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);
159 mod_timer(&dev->timer, jiffies +
msecs_to_jiffies(timerperiod));
160 break;
161 case SETPERIOD_CMD: /* 设置定时器周期 */
162 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);
163 dev->timeperiod = arg;
164 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);
165 mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(arg));
166 break;
167 default:
168 break;
169 }
170 return 0;
171 }
172
173 /*
174 * @description : 关闭/释放设备
175 * @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
176 * @return : 0 成功;其他 失败
177 */
178 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
179 {
180 struct timer_dev *dev = filp->private_data;
181 gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* APP结束的时候关闭LED */
182 gpio_free(dev->led_gpio); /* 释放LED */
183 del_timer_sync(&dev->timer); /* 关闭定时器 */
184
185 return 0;
186 }
187
188 /* 设备操作函数 */
189 static struct file_operations timer_fops = {
190 .owner = THIS_MODULE,
191 .open = timer_open,
192 .unlocked_ioctl = timer_unlocked_ioctl,
193 .release = led_release,
194 };
195
196 /* 定时器回调函数 */
197 void timer_function(struct timer_list *arg)
198 {
199 /* from_timer是个宏，可以根据结构体的成员地址，获取到这个结构体的首地址。
200 第一个参数表示结构体，第二个参数表示第一个参数里的一个成员，第三个参数表
示第二个参数的类型,得到第一个参数的首地址。
201 */
202 struct timer_dev *dev = from_timer(dev, arg, timer);
203 static int sta = 1;
204 int timerperiod;
205 unsigned long flags;
206
207 sta = !sta; /* 每次都取反，实现LED灯反转 */
208 gpio_set_value(dev->led_gpio, sta);
209
210 /* 重启定时器 */
211 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);
212 timerperiod = dev->timeperiod;
213 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);
214 mod_timer(&dev->timer, jiffies +
msecs_to_jiffies(dev->timeperiod));
215 }
216
217 /*
218 * @description : 驱动入口函数
219 * @param : 无
220 * @return : 无
221 */
222 static int __init timer_init(void)
223 {
224 int ret;
225
226 /* 初始化自旋锁 */
227 spin_lock_init(&timerdev.lock);
228
229 /* 注册字符设备驱动 */
230 /* 1、创建设备号 */
231 if (timerdev.major) { /* 定义了设备号 */
232 timerdev.devid = MKDEV(timerdev.major, 0);
233 ret = register_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT,
TIMER_NAME);
234 if(ret
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