Linux驱动使用高精度定时器控制LED亮度

2025-03-27

Linux hrtimer（高分辨率定时器）是Linux内核提供的一种高精度定时机制，用于支持微秒（μs）甚至纳秒（ns）级别的定时操作，相比传统的定时器（如timer_list）具有更高的精度和灵活性。

主要特点

高分辨率：基于硬件时钟（如 TSC、HPET），提供纳秒级精度，适用于实时性要求高的场景。传统定时器（如jiffies）依赖系统tick，精度通常为毫秒（ms）级。
动态时钟基础：使用CLOCK_MONOTONIC或CLOCK_REALTIME等时间源，避免系统时间调整带来的影响。
灵活的回调机制：通过回调函数执行定时任务，支持单次触发或周期性触发。
可扩展性：适用于内核驱动、调度器、性能分析等需要高精度定时的场景。

设备树

// test.dts

/dts-v1/;

/ {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;

    // 模拟数据
    gpioe:gpio@50006000 {
        #gpio-cells = <0x2>;
        reg =  <0x50006000 0x4 0x50006014 0x4 0x50000a28 0x4>;
    };

    breathing_led {
        compatible = "breathing-led-001";
        breathing-led-gpios = <&gpioe 10 0>;
        status = "okay";
    };
};

驱动代码

// simple.c

#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/minmax.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/platform_device.h>

#define PLATFORM_DEVICE_BASENAME "my_device"
#define PLATFORM_DEVICE_NAME_PWM "breathing-led-001"

static int gpio_id;
static u32 duty_ns;             // 占用比
static u32 period_ns;           // 周期
static ktime_t jifies;          // 超时时间
static struct hrtimer timer;    // 产生超时时钟
static struct work_struct work; // 工作队列

static enum hrtimer_restart _hrtiemr_cb(struct hrtimer *timer) {
    schedule_work(&work);
    return HRTIMER_NORESTART;
}

static void _work_cb(struct work_struct *work) {
    static u32 counter = 0;
    counter++;

    if (counter >= period_ns) {
        counter = 0;
    }

    // 通过占空比调整led亮度
    if (counter < duty_ns) {
        gpio_set_value(gpio_id, 1);
    } else {
        gpio_set_value(gpio_id, 0);
    }

    // 将定时器的超时时间延后，并重新开始定时器
    hrtimer_forward_now(&timer, jifies);
    hrtimer_start(&timer, jifies, HRTIMER_MODE_REL);
}

static int _probe(struct platform_device *device) {
    pr_info("platform_driver_probe\n");

    gpio_id = of_get_named_gpio(device->dev.of_node, "breathing-led-gpios", 0);
    if (gpio_id < 0) {
        pr_err("of_get_named_gpio failed\n");
        return -ENODEV;
    }

    devm_gpio_request(&device->dev, gpio_id, "breathing-led-gpios");
    gpio_direction_output(gpio_id, 0);
    gpio_set_value(gpio_id, 0);

    // 初始化高级定时器
    hrtimer_init(&timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);

    // 设置定时器超时时间, 每1微秒执行1次回调函数
    jifies = ktime_set(0, 1000);

    // 超时回调函数
    timer.function = _hrtiemr_cb;

    // 初始化工作队列
    INIT_WORK(&work, _work_cb);

    // 占空比为60%
    period_ns = 1000000; // 1毫秒
    duty_ns = min(60 * 10000, period_ns);
    hrtimer_start(&timer, jifies, HRTIMER_MODE_REL);

    return 0;
}

// 当平台设备驱动卸载时，会自动调用该函数
static int _remove(struct platform_device *device) {
    pr_info("platform_driver_remove\n");

    hrtimer_cancel(&timer);
    gpio_set_value(gpio_id, 0);
    cancel_work_sync(&work);
    return 0;
}

// 会与设备树安装的platform_device进行匹配(一般用在嵌入式linux开发中)
struct of_device_id of_node_match_table[] = {
    [0] = {.compatible = PLATFORM_DEVICE_NAME_PWM}, [1] = {}, // 空元素代表结束
};

struct platform_driver my_platform_driver = {
    .probe = _probe,
    .remove = _remove,

    // 通过id_table匹配, 实现一个驱动对多个设备
    .driver =
        {
            .name = PLATFORM_DEVICE_BASENAME,

            // 设备树的匹配方式
            .of_match_table = of_node_match_table,
        },
};

static int __init pwm_driver_init(void) {
    pr_info("pwm_driver_init\n");

    int ret = platform_driver_register(&my_platform_driver);
    if (ret < 0) {
        pr_err("platform_driver_register failed\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static void __exit pwm_driver_exit(void) {
    pr_info("pwm_driver_exit\n");
    platform_driver_unregister(&my_platform_driver);
}

module_init(pwm_driver_init);
module_exit(pwm_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("heng30");
MODULE_VERSION("v0.0.1");
MODULE_DESCRIPTION("A simple pwm_driver kernel module");

编译脚本

#!/bin/sh

top-dir = $(shell pwd)
kernel-version = $(shell uname -r)
kernel-dir ?= /lib/modules/$(kernel-version)/build

obj-m += simple.o

all: dt driver

driver:
        make -C $(kernel-dir) modules M=$(top-dir)

dt:
        dtc -@ -I dts -O dtb -o test.dtbo test.dts

clean:
        rm -f *.o *.ko *.mod *.mod.c *.order *.symvers *.dtbo
        make -C $(kernel-dir) clean m=$(top-dir)

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