Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)高精度定時(shí)器的精度測(cè)量評(píng)測(cè)

前言

• 今天我們來(lái)評(píng)測(cè)linux內(nèi)核的高精度定時(shí)器。順便利用通過(guò)Tektronix示波器 和 DS100 Mini 數(shù)字示波器進(jìn)行交叉測(cè)試。
• 因項(xiàng)目需要用到精準(zhǔn)的時(shí)間周期，所以要評(píng)估它的可行性，并驗(yàn)證正點(diǎn)原子的示波器能不能支撐嵌入式開發(fā)流程。

Linux高精度定時(shí)器說(shuō)明

• 其實(shí)傳統(tǒng)的低分辨率定時(shí)器隨著技術(shù)的演進(jìn)，已經(jīng)無(wú)法滿足開發(fā)需求。而且硬件的不斷發(fā)展，硬件定時(shí)器的精度也越來(lái)越高，這也給高精度定時(shí)器創(chuàng)建了有利條件。
• 低分辨率的定時(shí)大部分時(shí)間復(fù)雜度可以實(shí)現(xiàn)O(1)，當(dāng)有進(jìn)位發(fā)生時(shí)，不可預(yù)測(cè)的O(N)定時(shí)器級(jí)聯(lián)遷移時(shí)間，影響定時(shí)器的精度。
• 低分率的定時(shí)器可以說(shuō)在超時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景上更加合適，以超時(shí)為目的，期望在超時(shí)到來(lái)之前獲得正確的結(jié)果的場(chǎng)景，應(yīng)用低分辨率的定時(shí)器適合不過(guò)。
• 為了滿足技術(shù)的演進(jìn)及定時(shí)器的精度要求，Linux內(nèi)核為高精度定時(shí)器重新設(shè)計(jì)了一套軟件架構(gòu)，它可以為我們提供納秒級(jí)的定時(shí)器精度，以滿足我們開發(fā)需求。精度如何實(shí)測(cè)才知道。。。。

Linux高精度定時(shí)器驅(qū)動(dòng)編寫

• 為了驗(yàn)證高精度定時(shí)器的分辨率，我們寫一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)（功能：在設(shè)定的周期內(nèi)反轉(zhuǎn)IO，然后通過(guò)示波器測(cè)量精度）。

• 高精度定時(shí)器使用步驟:

1. 初始化定時(shí)器工作模式：hrtimer_init(&kthread_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
2. 設(shè)置定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)：kthread_timer.function = hrtimer_cb_func;
3. 啟動(dòng)定時(shí)器：hrtimer_start(&kthread_timer, ktime_set(HRTIMER_TEST_CYCLE), HRTIMER_MODE_REL);
4. 在定時(shí)器回調(diào)函數(shù)中，增加定時(shí)到期時(shí)間：hrtimer_forward(timer, timer->base->get_time(), ktime_set(HRTIMER_TEST_CYCLE));

• 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊代碼模塊實(shí)現(xiàn)：

#include"hrtimer_test.h"

#defineHRTIMER_TEST_PIN7

#defineHRTIMER_TEST_CYCLE0,(100000/2)

#defineDEVICE_NAME"HRTIMER_TEST"
#defineCLASS_NAME"HRTIMER_TEST"

intmajor_number;
structdevice*device;
structclass*class;
staticstructhrtimerkthread_timer;
intvalue=0;

enumhrtimer_restarthrtimer_cb_func(structhrtimer*timer){
ChipBspGpio_ExportSet(ULTRASONIC_TEST_PIN,value);
value=!value;

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

voidkthread_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);
}

staticint__inithrtimer_test_init(void){
printk(KERN_ALERT"hrtimer_test:Init!!\n");

major_number=register_chrdev(0,DEVICE_NAME,NULL);

if(major_number0){
printk(KERN_ALERT"hrtimer_test:Registerfail!\n");
returnmajor_number;
}

printk(KERN_ALERT"Registesuccess,majornumberis%d\n",major_number);

class=class_create(THIS_MODULE,CLASS_NAME);

if(IS_ERR(class)){
unregister_chrdev(major_number,DEVICE_NAME);
returnPTR_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);
returnPTR_ERR(device);
}

printk(KERN_ALERT"hrtimer_test:initsuccess!!\n");

kthread_hrtimer_init();

return0;
}

staticvoid__exithrtimer_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:exitsuccess!!\n");
}

module_init(hrtimer_test_init);
module_exit(hrtimer_test_exit);

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

• 該驅(qū)動(dòng)模塊主要功能：在定時(shí)器回調(diào)函數(shù)中，周期性反轉(zhuǎn)GPIO，然后查看其定時(shí)器精度。其中宏定義（HRTIMER_TEST_CYCLE）為定時(shí)的周期。

Linux高精度定時(shí)器的評(píng)測(cè)

1. 周期1ms評(píng)測(cè)：

• 修改宏定義：HRTIMER_TEST_CYCL設(shè)置周期為1ms. 修改如下

#defineHRTIMER_TEST_CYCLE0,(1000000/2)

• 通過(guò)Tektronix示波器測(cè)量：

• 通過(guò)DS100 Mini 數(shù)字示波器測(cè)量：

• 結(jié)論：Tektronix示波器和DS100 Mini 數(shù)字示波器數(shù)據(jù)相符，波形穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)出的頻率與周期跟軟件設(shè)置一致

2. 周期100us評(píng)測(cè)：

• 修改宏定義：HRTIMER_TEST_CYCL設(shè)置周期為100us. 修改如下

#defineHRTIMER_TEST_CYCLE0,(100000/2)

• 通過(guò)Tektronix示波器測(cè)量：

• 通過(guò)DS100 Mini 數(shù)字示波器測(cè)量：

• 結(jié)論：Tektronix示波器和DS100 Mini 數(shù)字示波器數(shù)據(jù)相符，波形穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)出的頻率與周期跟軟件設(shè)置一致

3. 周期10us評(píng)測(cè):

• 修改宏定義：HRTIMER_TEST_CYCL設(shè)置周期為10us. 修改如下

#defineHRTIMER_TEST_CYCLE0,(10000/2)

• 通過(guò)Tektronix示波器測(cè)量：

• 通過(guò)DS100 Mini 數(shù)字示波器測(cè)量：

• 結(jié)論：Tektronix示波器和DS100 Mini 數(shù)字示波器數(shù)據(jù)都無(wú)法精確測(cè)量，波形不清晰。

4. 周期1us評(píng)測(cè):

• 修改宏定義：HRTIMER_TEST_CYCL設(shè)置周期為1us. 修改如下：

#defineHRTIMER_TEST_CYCLE0,(1000/2)

• 通過(guò)Tektronix示波器測(cè)量：

• 通過(guò)DS100 Mini 數(shù)字示波器測(cè)量：

• 結(jié)論：Tektronix示波器和DS100 Mini 數(shù)字示波器數(shù)據(jù)都無(wú)法精確測(cè)量，波形不清晰。

總結(jié)

• 高精度定時(shí)器總結(jié)

1. Linux提供的高精度定時(shí)器可以滿足我們大部分需求的，要注意的的，定時(shí)器回調(diào)函數(shù)不能做太多任務(wù)，并需要快速執(zhí)行，否則無(wú)法保證其周期性。（作者認(rèn)為高精度定時(shí)器可以看作一個(gè)外部中斷的思想進(jìn)行處理）
2. 通過(guò)此次評(píng)估，Linux提供的高精度定時(shí)器可以滿足我的項(xiàng)目需求，而且建議幾十納秒級(jí)的需求使用比較合適，如果幾納秒的需求不適合。

• 示波器總結(jié)

1. 通過(guò)評(píng)估數(shù)據(jù)上看，DS100 Mini 數(shù)字示波器可以替代一般的臺(tái)式示波器。
2. DS100 Mini 數(shù)字示波器可以在大部分場(chǎng)景上使用，可以滿足項(xiàng)目需求

審核編輯 黃昊宇