Linux驱动开发高精度定时器的精度测量评测

前言

• 今天我们来评测linux内核的高精度定时器。顺便利用通过Tektronix示波器 和 DS100 Mini 数字示波器进行交叉测试。
• 因项目需要用到精准的时间周期，所以要评估它的可行性，并验证正点原子的示波器能不能支撑嵌入式开发流程。

Linux高精度定时器说明

• 其实传统的低分辨率定时器随着技术的演进，已经无法满足开发需求。而且硬件的不断发展，硬件定时器的精度也越来越高，这也给高精度定时器创建了有利条件。
• 低分辨率的定时大部分时间复杂度可以实现O(1)，当有进位发生时，不可预测的O(N)定时器级联迁移时间，影响定时器的精度。
• 低分率的定时器可以说在超时应用场景上更加合适，以超时为目的，期望在超时到来之前获得正确的结果的场景，应用低分辨率的定时器适合不过。
• 为了满足技术的演进及定时器的精度要求，Linux内核为高精度定时器重新设计了一套软件架构，它可以为我们提供纳秒级的定时器精度，以满足我们开发需求。精度如何实测才知道。。。。

Linux高精度定时器驱动编写

• 为了验证高精度定时器的分辨率，我们写一个简单的内核驱动（功能：在设定的周期内反转IO，然后通过示波器测量精度）。

• 高精度定时器使用步骤:

1. 初始化定时器工作模式：hrtimer_init(&kthread_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
2. 设置定时器的回调函数：kthread_timer.function = hrtimer_cb_func;
3. 启动定时器：hrtimer_start(&kthread_timer, ktime_set(HRTIMER_TEST_CYCLE), HRTIMER_MODE_REL);
4. 在定时器回调函数中，增加定时到期时间：hrtimer_forward(timer, timer->base->get_time(), ktime_set(HRTIMER_TEST_CYCLE));

• 内核驱动模块代码模块实现：

#include "hrtimer_test.h"

#define HRTIMER_TEST_PIN 7

#define HRTIMER_TEST_CYCLE   0, (100000 / 2)

#define DEVICE_NAME    "HRTIMER_TEST"
#define CLASS_NAME    "HRTIMER_TEST"

int major_number;
struct device *device;
struct class *class;
static struct hrtimer kthread_timer;
int value = 0;

enum hrtimer_restart hrtimer_cb_func(struct hrtimer *timer) {
    ChipBspGpio_ExportSet(ULTRASONIC_TEST_PIN, value);
    value = !value;

    hrtimer_forward(timer, timer->base->get_time(), ktime_set(HRTIMER_TEST_CYCLE));
    return HRTIMER_RESTART;
}

void kthread_hrtimer_init(void) {
    hrtimer_init(&kthread_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
    kthread_timer.function = hrtimer_cb_func;
    hrtimer_start(&kthread_timer, ktime_set(HRTIMER_TEST_CYCLE), HRTIMER_MODE_REL);
}

static int __init hrtimer_test_init(void) {
    printk(KERN_ALERT "hrtimer_test : Init !!\n");

    major_number = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, NULL);

    if (major_number < 0) {
        printk(KERN_ALERT "hrtimer_test: Register fail!\n");
        return major_number;
    }

    printk(KERN_ALERT "Registe success, major number is %d\n", major_number);

    class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);

    if (IS_ERR(class)) {
        unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);
        return PTR_ERR(class);
    }

    device = device_create(class, NULL, MKDEV(major_number, 0), NULL, DEVICE_NAME);

    if (IS_ERR(device)) {
        class_destroy(class);
        unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);
        return PTR_ERR(device);
    }

    printk(KERN_ALERT "hrtimer_test: init success!!\n");

    kthread_hrtimer_init();

    return 0;
}

static void __exit hrtimer_test_exit(void) {

    hrtimer_cancel(&kthread_timer);

    device_destroy(class, MKDEV(major_number, 0));
    class_unregister(class);
    class_destroy(class);
    unregister_chrdev(major_number, DEVICE_NAME);

    printk(KERN_ALERT "hrtimer_test: exit success!!\n");
}

module_init(hrtimer_test_init);
module_exit(hrtimer_test_exit);

MODULE_AUTHOR("RieChen");
MODULE_LICENSE("GPL");

• 该驱动模块主要功能：在定时器回调函数中，周期性反转GPIO，然后查看其定时器精度。其中宏定义（HRTIMER_TEST_CYCLE）为定时的周期。

Linux高精度定时器的评测

1. 周期1ms评测：

• 修改宏定义：HRTIMER_TEST_CYCL设置周期为1ms. 修改如下

#define HRTIMER_TEST_CYCLE   0, (1000000 / 2)

• 通过Tektronix示波器测量：

• 通过DS100 Mini 数字示波器测量：

• 结论：Tektronix示波器和DS100 Mini 数字示波器数据相符，波形稳定。统计出的频率与周期跟软件设置一致

2. 周期100us评测：

• 修改宏定义：HRTIMER_TEST_CYCL设置周期为100us. 修改如下

#define HRTIMER_TEST_CYCLE   0, (100000 / 2)

• 通过Tektronix示波器测量：

• 通过DS100 Mini 数字示波器测量：

• 结论：Tektronix示波器和DS100 Mini 数字示波器数据相符，波形稳定。统计出的频率与周期跟软件设置一致

3. 周期10us评测:

• 修改宏定义：HRTIMER_TEST_CYCL设置周期为10us. 修改如下

#define HRTIMER_TEST_CYCLE   0, (10000 / 2)

• 通过Tektronix示波器测量：

• 通过DS100 Mini 数字示波器测量：

• 结论：Tektronix示波器和DS100 Mini 数字示波器数据都无法精确测量，波形不清晰。

4. 周期1us评测:

• 修改宏定义：HRTIMER_TEST_CYCL设置周期为1us. 修改如下：

#define HRTIMER_TEST_CYCLE   0, (1000 / 2)

• 通过Tektronix示波器测量：

• 通过DS100 Mini 数字示波器测量：

• 结论：Tektronix示波器和DS100 Mini 数字示波器数据都无法精确测量，波形不清晰。

总结

• 高精度定时器总结

1. Linux提供的高精度定时器可以满足我们大部分需求的，要注意的的，定时器回调函数不能做太多任务，并需要快速执行，否则无法保证其周期性。（作者认为高精度定时器可以看作一个外部中断的思想进行处理）
2. 通过此次评估，Linux提供的高精度定时器可以满足我的项目需求，而且建议几十纳秒级的需求使用比较合适，如果几纳秒的需求不适合。

• 示波器总结

1. 通过评估数据上看，DS100 Mini 数字示波器可以替代一般的台式示波器。
2. DS100 Mini 数字示波器可以在大部分场景上使用，可以满足项目需求

审核编辑 黄昊宇