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【正点原子FPGA连载】第三十二章Linux内核定时器实验-领航者ZYNQ之linux开发指南

2020-9-20 16:57:57  103 正点原子FPGA
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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。
32.1Linux时间管理和内核定时器简介
32.1.1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
按照如下路径打开配置界面:
  • -> Kernel Features
  • -> Timer frequency (<choice> [=y])

选中“Timer frequency”,打开以后如图 43.1.1所示:

图 43.1.1 系统节拍率设置

从图 43.1.1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 43.1.2 系统节拍率

图 43.1.2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32.1.1.1 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32.1.1.2 include/jiffies.h文件代码段
  • 76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
  • 77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;


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 43.1.3所示:

图 43.1.3 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 43.1.1.1所示的几个API函数来处理绕回。

表 43.1.1.1 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32.1.1.3 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 43.1.1.2所示:

表 43.1.1.2 jiffies和ms、us、ns之间的转换函数

32.1.2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32.1.2.1 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;
  • };


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)
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)
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32.1.2.2 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(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 }

32.1.3Linux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 43.1.3.1所示:


表 43.1.3.1 内核短延时函数

32.2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33.3小节即可。
32.3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\ZYNQ_7010\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。
32.3.1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38.3.1小节创建的即可。
32.3.2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32.3.2.1 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  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");

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。
32.3.3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32.3.3.1 timerApp.c文件代码段
  • 1 /***************************************************************
  • 2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
  • 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  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 }

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。
32.4运行测试
32.4.1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32.4.1.1 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

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
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 43.4.1 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

编译成功以后就会生成timerApp这个应用程序。
32.4.2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

驱动加载成功以后如下命令来测试:
  • ./timerApp /dev/timer

输入上述命令以后终端提示输入命令,如所示:

图 43.4.2 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 43.4.3 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



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