Linux 内核定时器与 DHT11

Linux 内核定时器与 DHT11：从内核机制到裸机驱动的完整解析

本文整理了中断处理、进程线程、文件描述符、内核定时器，以及 DHT11 单总线传感器驱动的核心知识点，适合嵌入式与 Linux 驱动方向的读者系统复习。

一、中断处理函数

1.1 什么是 ISR

中断处理函数是操作系统和嵌入式系统中响应硬件事件的核心机制。当外设产生中断请求时，CPU 暂停当前程序，保存现场，跳转到预先注册的中断处理函数执行，处理完成后再恢复现场并继续执行。

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正常执行 ──► 中断发生 ──► 保存现场 ──► 执行 ISR ──► 恢复现场 ──► 继续执行

在 Linux 内核中，ISR 运行在中断上下文，不能睡眠、不能阻塞，也不能执行可能引发调度的操作。

1.2 编写要点

尽量短小：ISR 执行期间通常会屏蔽同级或更低优先级中断。
不可阻塞：不能睡眠，不能调用可能引起调度的函数。
注意并发：多核环境下同一中断可能在不同 CPU 上并发执行。
清除中断标志：否则硬件会反复触发中断。
返回值语义 ：Linux 中通常返回 IRQ_HANDLED 或 IRQ_NONE。

1.3 通用模板

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void XXX_IRQHandler(void)
{
    uint32_t status = DEV->INT_STATUS;   // 1. 取状态
    if (!(status & DEV_INT_FLAG))        // 2. 判断是否本设备
        return;
    DEV->INT_CLR = status;               // 3. 清标志
    dev->counter++;                      // 4. 快速处理
    schedule_bottom_half(dev);           // 5. 触发下半部
}

核心原则：ISR 只做"确认中断 + 清标志 + 搬数据 + 发通知"，其余交给下半部。

二、进程与线程

2.1 核心区别

维度	进程	线程
定义	资源分配的基本单位	CPU 调度的基本单位
地址空间	独立	共享所属进程
切换开销	大	小
通信方式	IPC	直接读写共享变量
隔离性	强	弱

2.2 内存布局

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进程地址空间
├── 代码段 / 数据段 / 堆     ← 线程共享
├── 文件描述符表             ← 线程共享
├── 线程1：栈 + 寄存器       ← 线程独有
├── 线程2：栈 + 寄存器       ← 线程独有

2.3 选型建议

场景	推荐
强隔离、稳定性优先	进程
频繁通信、数据共享多	线程
崩溃不能互相影响	进程

一句话：进程 = 资源 + 隔离；线程 = 执行 + 共享。

三、文件描述符

3.1 本质

文件描述符是一个非负整数 ，是进程访问内核资源的句柄。它本质上是进程 fd 表中的索引，指向内核的打开文件表项，最终再指向 inode。

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fd（整数）
  └── 属于 → 进程的 fd 表
        └── 指向 → 内核打开文件表项
              └── 指向 → inode

3.2 三个默认 fd

fd	名称	宏
0	标准输入	`STDIN_FILENO`
1	标准输出	`STDOUT_FILENO`
2	标准错误	`STDERR_FILENO`

3.3 分配规则

内核总是分配当前最小的可用整数 。这个特性常被用来做重定向：先 close(1)，再 open(...)，新文件就会占用 fd 1。

3.4 "一切皆文件"

fd 可以代表普通文件、目录、设备、管道、socket、eventfd、epoll 实例等。Unix 的统一 I/O 接口就体现在这里。

四、内核定时器

4.1 本质

内核定时器建立在硬件定时器之上：硬件产生 tick，内核用 tick 驱动软件定时器子系统，管理大量"在某个时刻执行某个函数"的请求。

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硬件定时器 ──► tick 中断 ──► 检查到期定时器 ──► 执行回调

关键点：timer_list 的回调运行在软中断上下文，不能睡眠。

4.2 时间基准

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unsigned long timeout = jiffies + msecs_to_jiffies(500); // 500ms 后
unsigned long timeout2 = jiffies + HZ;                    // 1 秒后

HZ：每秒 tick 数。
jiffies：自启动以来的 tick 计数。
jiffies 会回绕，比较必须使用 time_after() 等宏。

4.3 老代码的典型问题

下面这段代码很常见，但存在多处问题：

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static void timeout(unsigned long data)
{
    pr_info("timeout ok!\n");
}

static DEFINE_TIMER(mtimer, timeout, 0, 0);

static int __init kernel_timer_init(void)
{
    init_timer(&mtimer);       // 多余
    add_timer(&mtimer);        // 错误：expires=0 会立即触发
    mod_timer(&mtimer, jiffies + msecs_to_jiffies(100));
    return 0;
}

问题	说明	修正
`init_timer` 多余	`DEFINE_TIMER` 已初始化	删掉
`add_timer` 时机错误	`expires=0` 会立即触发	删掉，只用 `mod_timer`
`del_timer` 不安全	不等待回调结束	改 `del_timer_sync`
回调签名过时	`unsigned long data` 是老接口	用 `struct timer_list *`

4.4 修正版

适配 Linux 4.15 之后以及 5.x/6.x 内核的写法如下：

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#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

static struct timer_list mtimer;

static void timeout(struct timer_list *t)
{
    pr_info("timeout ok!\n");
}

static int __init kernel_timer_init(void)
{
    timer_setup(&mtimer, timeout, 0);
    mod_timer(&mtimer, jiffies + msecs_to_jiffies(100));
    pr_info("add timer success\n");
    return 0;
}

static void __exit kernel_timer_exit(void)
{
    del_timer_sync(&mtimer);
    pr_info("del timer success\n");
}

module_init(kernel_timer_init);
module_exit(kernel_timer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.5 老接口 vs 新接口

老接口	新接口
`init_timer(&t)`	`timer_setup(&t, fn, flags)`
`t.function = fn`	在 `timer_setup` 里指定
`t.data = x`	`from_timer()` 反推
`void fn(unsigned long data)`	`void fn(struct timer_list *t)`

4.6 周期性定时器

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static void timeout(struct timer_list *t)
{
    pr_info("timeout ok!\n");
    mod_timer(&mtimer, jiffies + msecs_to_jiffies(100));
}

卸载时必须使用 del_timer_sync()，否则回调可能又把自己重新加入定时器队列。

五、static 的两种作用

代码里大量出现 static，初学者容易疑惑：为什么只在本文件可见的函数还能被内核调用？

作用	修饰对象	含义
链接属性	全局变量/函数	只在本文件可见
存储期	局部变量	静态存储，函数退出不销毁

**关键在于：static 限制的是名字能否被其他文件引用，不限制函数能否被调用。**内核通过函数指针、宏注册拿到地址后，照样可以调用。

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module_init(kernel_timer_init);  // 把地址注册给内核
DEFINE_TIMER(mtimer, timeout, 0, 0); // 把 timeout 指针存进结构体

一句话：static 挡的是"名字"，不是"指针"。

六、DHT11 温湿度传感器

6.1 基本参数

项目	参数
测量范围	温度 050°C，湿度 2090%RH
精度	温度 ±2°C，湿度 ±5%RH
分辨率	整数
供电	3.3V ~ 5.5V
通信	单总线
采样周期	≥1 秒

6.2 通信原理

DHT11 使用单根数据线进行双向通信，主机通过拉低总线发起通信，DHT11 通过响应脉冲确认，再发送 40 位数据。

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主机：拉低 >18ms  →  释放  →  等待响应
DHT ：拉低 80us   →  拉高 80us  →  传 40 位数据
每位：50us 低 + 高电平长短决定 0/1
      高 26~28us → 0
      高 70us    → 1

6.3 40 位数据格式

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[湿度整数 8位][湿度小数 8位][温度整数 8位][温度小数 8位][校验和 8位]

校验和等于前 4 个字节相加后的低 8 位。

6.4 硬件连接

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DHT11          MCU
VCC    ──────  3.3V/5V
DATA   ──────  GPIO（需 4.7k~10k 上拉电阻到 VCC）
GND    ──────  GND

上拉电阻必须加。模块版通常自带，裸传感器需要自己加。

6.5 核心读取代码

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uint8_t dht11_read(uint8_t *temp, uint8_t *humi)
{
    uint8_t buf[5] = {0};

    // 1. 主机发送起始信号
    pin_output();
    write_pin(0);
    delay_us(18000);        // 拉低 >18ms
    write_pin(1);
    delay_us(30);

    // 2. 切换输入，等待响应
    pin_input();
    if (wait_level(0, 100)) return 1;
    if (wait_level(1, 100)) return 2;
    if (wait_level(0, 100)) return 3;

    // 3. 读 40 位
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            if (wait_level(1, 100)) return 4;
            delay_us(40);           // 延时采样
            buf[i] <<= 1;
            if (read_pin()) {
                buf[i] |= 1;
                wait_level(0, 100);
            }
        }
    }

    // 4. 校验
    if ((uint8_t)(buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) != buf[4]) return 5;

    *humi = buf[0];
    *temp = buf[2];
    return 0;
}

6.6 常见问题

现象	原因	解决
一直读失败	没加上拉电阻	DATA 接 4.7k~10k 到 VCC
偶发失败	采样太快	间隔 ≥1s
数据全 0	时序不准	检查 `delay_us`
校验错	干扰/线太长	缩短线、加滤波电容
第一次失败	上电不稳定	上电后延时 1s 再读

6.7 注意事项

必须加外部上拉电阻。
两次读取间隔至少 1 秒。
读期间对时序敏感，裸机实现时通常要关中断或保证延时准确。
delay_us 必须准确，建议使用 SysTick、硬件定时器或内核提供的精确延时函数。
DHT11 只有整数输出，需要小数精度可选 DHT22。

七、总结

主题	核心要点
中断处理函数	短、不阻塞、清标志、下半部
进程 vs 线程	资源隔离 vs 执行共享
文件描述符	进程访问内核资源的整数句柄
内核定时器	tick + 软件管理；回调在软中断上下文
static	限制名字可见性，不限制调用
DHT11	单总线，靠高低电平时长编码

这些内容贯穿了从操作系统内核机制到裸机驱动开发的完整链路。理解中断、定时器、fd 这些抽象，再回头看 DHT11 这种时序敏感的传感器驱动，会发现底层逻辑是相通的：中断负责响应，定时器负责调度，fd 负责抽象资源，而驱动负责在时序约束下完成数据交互。

参考资料

Linux 内核文档：Documentation/timers/
DHT11 数据手册
《Linux 设备驱动程序》

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