Linux 内核定时器使用 二 高精度定时器 hrtimer 的用例

博客指出timer_list内核定时器精度在毫秒级别,更高精度无能为力,而内核提供了高精度定时器hrtimer。其源文件在linux/kernel/hrtimer.c中,接口简单,还给出了相关参考文档链接。

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之前介绍了timer_list内核定时器,它的精度在毫秒级别,再高一点它就无能为力了,所幸内核提供了高精度定时器 hrtimer。

源文件在linux/kernel/hrtimer.c中。接口简单。下面介绍一下相关接口

1. 定时器定义与绑定超时回调函数
static struct hrtimer timer;

/* 设置回调函数 */
timer.function = hrtimer_hander;

2. 定时器初始化
/*
 *  参数timer是hrtimer指针,
 *  参数clock_id有如下常用几种选项:
 *  CLOCK_REALTIME	//实时时间,如果系统时间变了,定时器也会变
 *  CLOCK_MONOTONIC	//递增时间,不受系统影响
 *  参数mode有如下几种选项:
 * 	HRTIMER_MODE_ABS = 0x0,		/* 绝对模式 */
	HRTIMER_MODE_REL = 0x1,		/* 相对模式 */
	HRTIMER_MODE_PINNED = 0x02,	/* 和CPU绑定 */
	HRTIMER_MODE_ABS_PINNED = 0x02, /* 第一种和第三种的结合 */
	HRTIMER_MODE_REL_PINNED = 0x03, /* 第二种和第三种的结合 */
 */
void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t clock_id, enum hrtimer_mode mode);

3. 定时器启动
/*
 * 参数timer是hrtimer指针
 * 参数tim是时间,可以使用ktime_set()函数设置时间,
 * 参数mode和初始化的mode参数一致
 */
hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode);

4. 设置时间
/*
 * 单位为秒和纳秒组合
 */
ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs);

/* 设置超时时间,当定时器超时后可以用该函数设置下一次超时时间 */
hrtimer_forward_now(struct hrtimer *timer, ktime_t interval)

5. 注意事项:
定时器超时后会调用回调函数,回调函数结构类似这样:
enum hrtimer_restart		(*function)(struct hrtimer *);

enum hrtimer_restart {
	HRTIMER_NORESTART,	/* 不重启定时器 */
	HRTIMER_RESTART,	/* 重启定时器 */
};
在回调函数返回前要手动设置下一次超时时间。
另外,回调函数执行时间不宜过长,因为是在中断上下文中,如果有什么任务的话,最好使用工作队列等机制。

6. 关闭定时器
int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer);

简单用例:
/*
 *  Description : 高精度定时器用例
 *  Author : mason
 *  Date   : 201808
 */

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/jiffies.h>

static struct hrtimer timer;
ktime_t kt;

/* 定时器回调函数 */
static enum hrtimer_restart  hrtimer_hander(struct hrtimer *timer)
{
    printk("hrtimer up\r\n");

    /* 设置下次过期时间 */
    kt = ktime_set(3,0);    
    hrtimer_forward_now(timer, kt);

    /* 该参数将重新启动定时器 */    
    return HRTIMER_RESTART;  
}

static int __init hrtimer_demo_init(void)
{
    printk("hello hrtimer \r\n");

    kt = ktime_set(1,10);

    /* hrtimer初始化 */
    hrtimer_init(&timer,CLOCK_MONOTONIC,HRTIMER_MODE_REL);

    /* hrtimer启动 */
    hrtimer_start(&timer,kt,HRTIMER_MODE_REL);

    /* 设置回调函数 */
    timer.function = hrtimer_hander;

    return 0;
}

static void __exit hrtimer_demo_exit(void)
{
    /* hrtimer注销 */
    hrtimer_cancel(&timer);
    printk("bye hrtimer\r\n");
}


module_init(hrtimer_demo_init);
module_exit(hrtimer_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

参考文档 :

1. Linux 下定时器的实现方式分析

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-timers/

2. hrtimer高精度定时器的简单使用【学习笔记】

https://www.cnblogs.com/zzb-Dream-90Time/p/7084916.html

<think>嗯,用户让我写一份关于Linux驱动脉冲精准控制的介绍,我得先理解他到底需要什么。首先,可能用户是在开发某种需要精确控制脉冲信号的硬件设备,比如步进电机、LED灯或者传感器。他们可能需要通过Linux内核模块来控制GPIO引脚产生精确的脉冲信号。 首先,我得考虑脉冲精准控制的关键点。精准意味着需要低延迟和高时间分辨率。Linux本身是通用操作系统,实时性可能不够,所以可能需要PREEMPT_RT补丁或者使用硬件定时器。另外,用户可能不知道这些细节,需要简要介绍一下。 然后,驱动的基本结构应该包括硬件初始化、定时器或中断处理、生成脉冲的逻辑。可能需要使用高精度定时器hrtimer)或者直接操作GPIO的寄存器。比如,树莓派的GPIO可以通过内存映射来快速操作,这对于精准控制很重要。 接下来,用户可能需要代码示的结构,但可能不了解内核模块的编写细节,所以需要给出一个框架,包括模块加载、资源分配、定时器设置、GPIO操作和卸载处理。同时要提到可能的问题,比如系统延迟、硬件限制,以及解决方法,比如使用DMA或FPGA辅助。 另外,用户可能关心如何测试和优化驱动,比如使用示波器测量脉冲,调整内核配置,或者使用实时内核。还需要提到应用场景,比如CNC、机器人,这些实际用能帮助用户理解驱动的用途。 可能用户没有明确说,但深层需求是确保脉冲的稳定性和精确性。所以需要强调硬件协同和软件优化的重要性,以及不同方法的优缺点。比如,软件定时可能受系统负载影响,而硬件定时更可靠但依赖特定硬件。 还要注意内核版本和硬件差异,不同平台可能需要不同的实现方式。比如,树莓派和BeagleBone的GPIO控制方法可能不同,需要针对性处理。 最后,用户可能需要参考资料或进一步学习的建议,比如内核文档、硬件手册,或者社区资源。但用户没有直接问这些,可能在回答中适当提及会有帮助。 总结下来,回答需要涵盖驱动结构、实现方法、关键技术、代码示框架、注意事项和应用场景,同时指出潜在的问题和解决方案。确保信息全面且易于理解,适合有一定Linux驱动开发基础的读者。</think>在 Linux 中实现脉冲精准控制功能通常涉及硬件操作(如 GPIO、定时器、PWM 等)和内核驱动开发。以下是一个技术框架和实现思路介绍: --- ### **1. 核心目标** 实现高精度、低抖动的脉冲信号输出,适用于: - 步进电机/伺服控制 - 激光调制 - 传感器触发 - 通信协议模拟(如 WS2812 LED) --- ### **2. 关键技术** #### **(1) 硬件层选择** - **GPIO 直接控制**:通过内存映射操作寄存器(如树莓派 BCM2835)。 - **硬件 PWM**:利用 SoC 内置 PWM 控制器(如 i.MX6、STM32)。 - **FPGA 协处理**:通过 SPI/I2C 与 FPGA 通信,实现纳秒级精度(需额外硬件)。 #### **(2) 软件优化** - **内核抢占配置**:启用 `PREEMPT_RT` 实时补丁降低延迟。 - **高精度定时器**:使用 `hrtimer`(纳秒级)替代普通定时器。 - **DMA 辅助传输**:通过 DMA 直接写入 GPIO 数据,减少 CPU 干预(如树莓派 RP1 芯片)。 --- ### **3. 驱动实现框架(示)** ```c #include <linux/module.h> #include <linux/gpio.h> #include <linux/hrtimer.h> #define GPIO_PIN 17 // 以树莓派 GPIO17 为 static struct hrtimer pulse_timer; static int pulse_state = 0; // 定时器回调函数 static enum hrtimer_restart pulse_timer_callback(struct hrtimer *timer) { gpio_set_value(GPIO_PIN, pulse_state); pulse_state ^= 1; // 翻转电平 hrtimer_forward_now(timer, ktime_set(0, 500000)); // 500ns 周期 return HRTIMER_RESTART; } // 模块初始化 static int __init pulse_init(void) { if (gpio_request(GPIO_PIN, "pulse_ctrl")) { printk(KERN_ERR "GPIO request failed\n"); return -EBUSY; } gpio_direction_output(GPIO_PIN, 0); hrtimer_init(&pulse_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL); pulse_timer.function = &pulse_timer_callback; hrtimer_start(&pulse_timer, ktime_set(0, 500000), HRTIMER_MODE_REL); return 0; } // 模块卸载 static void __exit pulse_exit(void) { hrtimer_cancel(&pulse_timer); gpio_set_value(GPIO_PIN, 0); gpio_free(GPIO_PIN); } module_init(pulse_init); module_exit(pulse_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); ``` --- ### **4. 关键优化点** #### **(1) 减少软件抖动** - 禁用中断屏蔽:`spin_lock_irqsave` 谨慎使用。 - CPU 绑定:通过 `sched_setaffinity` 绑定驱动线程到独立核心。 - **避免内存分配**:在中断上下文中禁止 `kmalloc`。 #### **(2) 硬件级优化** - 使用 SoC 专用 PWM 模块(如 `pwmchip0`)。 - 配置 GPIO 为快速模式(如树莓派 `GPIO_CTRL_SLEW_FAST`)。 #### **(3) 用户空间交互** - **IOCTL 接口**:动态调整频率/占空比。 - **SysFS 节点**:`/sys/class/pulse/pulse0` 提供状态反馈。 - **mmap 映射**:用户空间直接访问硬件寄存器(需 `remap_pfn_range`)。 --- ### **5. 测试与验证** - **示波器测量**:验证实际波形抖动(通常软件控制在 ±100ns 内)。 - **cyclictest**:检测系统实时性:`cyclictest -t1 -p 99 -n -i 1000`。 - **Ftrace 跟踪**:分析中断延迟:`echo function_graph > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer`。 --- ### **6. 高级方案** - **FPGA 协作**:通过 SPI 发送脉冲序列,FPGA 负责时序生成。 - **内核模块 + Userspace 协同**:使用 `io_uring` 实现零拷贝控制。 - **Xenomai/Cobalt**:双内核实时框架,实现微秒级确定性响应。 --- ### **7. 注意事项** - **硬件差异**:不同 SoC 的 GPIO/PWM 性能差异显著(如全志 H3 vs NXP i.MX8)。 - **电源管理**:禁用 CPU 频率调节(`cpufreq-set -g performance`)。 - **内核版本**:较新内核(≥5.10)对实时任务支持更好。 --- 如果需要具体平台的实现细节(如树莓派、STM32MP157 或 Xilinx Zynq),可以提供硬件型号进一步分析!
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