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Linux 内核定时器实验

news 2025/9/5 7:47:36

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 Linux时间管理和内核定时器简介

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，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:

从图可以看出，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，在此文件中有如图所示定义：

图中的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：

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：

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的结构如图所示：

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内核提供了如表所示的几个API函数来处理绕回。

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：

unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ);    /* 超时的时间点 *//*************************************具体的代码
*************************************//* 判断有没有超时 */
if(time_before(jiffies, timeout)) {/* 超时未发生 */
} else {/* 超时发生 */
}

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，如表所示：

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(省略掉条件编译)：

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)

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)

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)

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)

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)

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：

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));
}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 = jiffies + 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 */
}void exit(void)
{del_timer(&timer);              /* 删除定时器 *//* 或者使用 */del_timer_sync(&timer);
}

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，这三个函数如表所示：

2 实验程序编写

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。

1.定时器驱动程序编写

设备树与LDE驱动的设备树一样。

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：

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>#define TIMER_CNT        1          /* 设备号个数 */
#define TIMER_NAME       "timer"    /* 名字 */
#define CLOSE_CMD        (_IO(0XEF, 0x1))    /* 关闭定时器 */
#define OPEN_CMD         (_IO(0XEF, 0x2))    /* 打开定时器 */
#define SETPERIOD_CMD    (_IO(0XEF, 0x3))    /* 设置定时器周期命令 */
#define LEDON            1          /* 开灯 */
#define LEDOFF           0          /* 关灯 *//* timer设备结构体 */
struct timer_dev{dev_t devid;            /* 设备号 */struct cdev cdev;       /* cdev */struct class *class;    /* 类 */struct device *device;  /* 设备 */int major;              /* 主设备号 */int minor;              /* 次设备号 */struct device_node *nd; /* 设备节点 */int led_gpio;           /* key所使用的GPIO编号 */int timeperiod;         /* 定时周期,单位为ms */struct timer_list timer; /* 定义一个定时器 */spinlock_t lock;        /* 定义自旋锁 */
};struct timer_dev timerdev;  /* timer设备 *//** @description : 初始化LED灯IO，open函数打开驱动的时候初始化LED灯所使用的GPIO引脚。* @param       : 无* @return      : 无*/
static int led_init(void)
{int ret = 0;timerdev.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");if (timerdev.nd == NULL) {return -EINVAL;}timerdev.led_gpio = of_get_named_gpio(timerdev.nd, "led-gpio", 0);if (timerdev.led_gpio < 0) {printk("can't get led\r\n");return -EINVAL;}/* 初始化led所使用的IO */gpio_request(timerdev.led_gpio, "led");     /* 请求IO */ret = gpio_direction_output(timerdev.led_gpio, 1);if (ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}return 0;
}/** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp  : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量*                  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return       : 0 成功;其他 失败*/
static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{int ret = 0;filp->private_data = &timerdev;   /* 设置私有数据 */timerdev.timeperiod = 1000;       /* 默认周期为1s */ret = led_init();                 /* 初始化LED IO */if (ret < 0) {return ret;}return 0;
}/** @description   : ioctl函数，* @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - cmd   : 应用程序发送过来的命令* @param - arg   : 参数* @return         : 0 成功;其他 失败*/
static long timer_unlocked_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{struct timer_dev *dev = (struct timer_dev *)filp->private_data;int timerperiod;unsigned long flags;switch (cmd) {case CLOSE_CMD:         /* 关闭定时器 */del_timer_sync(&dev->timer);break;case OPEN_CMD:          /* 打开定时器 */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:     /* 设置定时器周期 */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;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations timer_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = timer_open,.unlocked_ioctl = timer_unlocked_ioctl,
};/* 定时器回调函数 */
void timer_function(unsigned long arg)
{struct timer_dev *dev = (struct timer_dev *)arg;static int sta = 1;int timerperiod;unsigned long flags;sta = !sta;       /* 每次都取反，实现LED灯反转 */gpio_set_value(dev->led_gpio, sta);/* 重启定时器 */spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);timerperiod = dev->timeperiod;spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(dev->timeperiod));
}/** @description  : 驱动入口函数* @param        : 无* @return       : 无*/
static int __init timer_init(void)
{/* 初始化自旋锁 */spin_lock_init(&timerdev.lock);/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (timerdev.major) {       /* 定义了设备号 */timerdev.devid = MKDEV(timerdev.major, 0);register_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT, TIMER_NAME);} else {                    /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&timerdev.devid, 0, TIMER_CNT, TIMER_NAME);timerdev.major = MAJOR(timerdev.devid);  /* 获取主设备号 */timerdev.minor = MINOR(timerdev.devid);  /* 获取次设备号 */}/* 2、初始化cdev */timerdev.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&timerdev.cdev, &timer_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&timerdev.cdev, timerdev.devid, TIMER_CNT);/* 4、创建类 */timerdev.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME);if (IS_ERR(timerdev.class)) {return PTR_ERR(timerdev.class);}/* 5、创建设备 */timerdev.device = device_create(timerdev.class, NULL, timerdev.devid, NULL, TIMER_NAME);if (IS_ERR(timerdev.device)) {return PTR_ERR(timerdev.device);}/* 6、初始化timer，设置定时器处理函数,还未设置周期，所有不会激活定时器 */init_timer(&timerdev.timer);timerdev.timer.function = timer_function;timerdev.timer.data = (unsigned long)&timerdev;return 0;
}/** @description  : 驱动出口函数* @param        : 无* @return       : 无*/
static void __exit timer_exit(void)
{gpio_set_value(timerdev.led_gpio, 1); /* 卸载驱动的时候关闭LED */del_timer_sync(&timerdev.timer);      /* 删除timer  */
#if 0del_timer(&timerdev.tiemr);
#endif/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&timerdev.cdev);             /* 删除cdev */unregister_chrdev_region(timerdev.devid, TIMER_CNT);device_destroy(timerdev.class, timerdev.devid);class_destroy(timerdev.class);
}module_init(timer_init);
module_exit(timer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

第38~50行，定时器设备结构体，在48行定义了一个定时器成员变量timer。

第60~82行，LED灯初始化函数，从设备树中获取LED灯信息，然后初始化相应的IO。

第91~102行，函数timer_open，对应应用程序的open函数，应用程序调用open函数打开

/dev/timer驱动文件的时候此函数就会执行。此函数设置文件私有数据为timerdev，并且初始化

定时周期默认为1秒，最后调用led_init函数初始化LED所使用的IO。

第111~137行，函数timer_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。

一共有三种命令CLOSE_CMD，OPEN_CMD和SETPERIOD_CMD，这三个命令分别为关

闭定时器、打开定时器、设置定时周期。这三个命令的左右如下：

CLOSE_CMD：关闭定时器命令，调用del_timer_sync函数关闭定时器。

OPEN_CMD：打开定时器命令，调用mod_timer函数打开定时器，定时周期为timerdev的

timeperiod成员变量，定时周期默认是1秒。

SETPERIOD_CMD：设置定时器周期命令，参数arg就是新的定时周期，设置timerdev的

timeperiod成员变量为arg所表示定时周期指。并且使用mod_timer重新打开定时器，使定时器

以新的周期运行。

第140~144行，定时器驱动操作函数集timer_fops。

第147~162行，函数timer_function，定时器服务函数，此函有一个参数arg，在本例程中

arg参数就是timerdev的地址，这样通过arg参数就可以访问到设备结构体。当定时周期到了以

后此函数就会被调用。在此函数中将LED灯的状态取反，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161行又调用了mod_timer函数重

新开启定时器。

第169~209行，函数timer_init，驱动入口函数。在第205~207行初始化定时器，设置定时

器的定时处理函数为timer_function，另外设置要传递给timer_function函数的参数为timerdev

的地址。在此函数中并没有调用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216~231行，驱动出口函数，在219行关闭LED，也就是卸载驱动以后LED处于熄灭

状态。第220行调用del_timer_sync函数删除定时器，也可以使用del_timer函数。

2 编写测试APP

测试APP我们要实现的内容如下：

①、运行APP以后提示我们输入要测试的命令，输入1表示关闭定时器、输入2表示打开

定时器，输入3设置定时器周期。

②、如果要设置定时器周期的话，需要让用户输入要设置的周期值，单位为毫秒。

新建名为timerApp.c的文件，然后输入如下所示内容：

#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" 
/*************************************************************** 
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved. 
文件名      : timerApp.c 
作者         : 左忠凯 
版本         : V1.0 
描述         : 定时器测试应用程序 
其他         : 无 
使用方法    ：./timertest /dev/timer 打开测试App 
论坛         : www.openedv.com 
日志         : 初版V1.0 2019/7/24 左忠凯创建 
***************************************************************/ /* 命令值 */ 
#define CLOSE_CMD         (_IO(0XEF, 0x1))    /* 关闭定时器    */ 
#define OPEN_CMD          (_IO(0XEF, 0x2))    /* 打开定时器    */ 
#define SETPERIOD_CMD     (_IO(0XEF, 0x3))    /* 设置定时器周期命令  */ /** @description    : main主程序 * @param - argc   : argv数组元素个数 * @param - argv   : 具体参数 * @return          : 0 成功;其他 失败 */ 
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) {               /* 参数输入错误    */ gets(str);                /* 防止卡死       */ } if(cmd == 1)                  /* 关闭LED灯     */ cmd = CLOSE_CMD; else if(cmd == 2)             /* 打开LED灯     */ cmd = OPEN_CMD; else if(cmd == 3) { cmd = SETPERIOD_CMD;     /* 设置周期值     */ printf("Input Timer Period:"); ret = scanf("%d", &arg); if (ret != 1) {           /* 参数输入错误    */ gets(str);            /* 防止卡死       */ } } ioctl(fd, cmd, arg);         /* 控制定时器的打开和关闭 */  } close(fd); 
}

第22~24行，命令值。

第53~73行，while(1)循环，让用户输入要测试的命令，然后通过第72行的ioctl函数发送

给驱动程序。如果是设置定时器周期命令SETPERIOD_CMD，那么ioctl函数的arg参数就是用

户输入的周期值。