在Linux應(yīng)用程序中，常用的延時函數(shù)包括sleep()、usleep()、select()等，這幾個延時函數(shù)函數(shù)的執(zhí)行機制，都是將當(dāng)前線程掛起，由操作系統(tǒng)做延時，然后再恢復(fù)當(dāng)前線程。這意味著其延時的最小間隔是兩次線程切換時間。經(jīng)測試，在單一線程情況下，兩次線程的切換時間在150us左右。大多數(shù)情況下，應(yīng)用程序會有多個線程在運行，這時線程恢復(fù)有可能在下一個時間片，而Linux系統(tǒng)缺省的線程輪片時間為10ms，這意味著只有當(dāng)延時在大于10ms情況時，常規(guī)的延時函數(shù)才有意義。在工控領(lǐng)域，我們常常碰到需要微秒級的延時需求，例如實現(xiàn)某種讀寫時序等，這時Linux系統(tǒng)的常規(guī)延時函數(shù)難于滿足其需求。針對這樣的應(yīng)用需求，我們設(shè)計了采用內(nèi)存映射的方法操作主板的硬件定時器和GPIO，從而產(chǎn)生出具有微秒精度的脈沖波形來。下面就詳細介紹如何在用戶進程實現(xiàn)這樣的精確延時的操作。

以EM335x工控主板為例，用其內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)精確延時的功能，EM335x內(nèi)部定時器的輸入時鐘為24MHz，單位時間為41.6ns，通過將Linux系統(tǒng)的mem設(shè)備文件和mmap()函數(shù)結(jié)合起來使用，可直接對EM335x內(nèi)部定時器的寄存器進行操作，再通過同樣的方式控制GPIO，實現(xiàn)：（1）設(shè)置GPIO，（2）啟動定時器，當(dāng)檢測到定時器計數(shù)完畢，（3）再設(shè)置GPIO，共三個步驟，就可產(chǎn)生精確時間間隔的脈沖。

Linux系統(tǒng)中的/dev/mem設(shè)備文件，是專門用來讀寫物理地址用的，里面的內(nèi)容是所有物理內(nèi)存的地址以及內(nèi)容信息。只要我們使用mmap()函數(shù)將/dev/mem設(shè)備文件映射到進程地址空間，實現(xiàn)對內(nèi)存物理地址的讀寫，就能夠通過這種方式快速的對GPIO和定時器進行操作，而mmap操作提供了一種機制，讓用戶程序直接訪問設(shè)備內(nèi)存，這樣就相當(dāng)于直接對硬件進行操作，從而避開了驅(qū)動程序，如果調(diào)用驅(qū)動就需要在用戶空間和內(nèi)核空間互相拷貝數(shù)據(jù)，還會涉及到系統(tǒng)調(diào)度等機制，效率將會變低。

將/dev/mem/設(shè)備文件中定時器的地址映射到用戶進程空間的代碼：
void *timer_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap Timer */
base = mmap(
NULL, //起始地址
DMTIMER_DEV_SIZE, //映射的文件內(nèi)容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,//映射區(qū)域可讀可寫
MAP_SHARED, //映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會寫回到原來的文件
mem_fd,
BASE//被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

將/dev/mem/設(shè)備文件中GPIO的地址映射到用戶進程空間的代碼：
void *GPIO_MMAP::gpio_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap GPIO */
base = mmap(
NULL,//起始地址
GPIO_DEV_SIZE, //映射的文件內(nèi)容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,//映射區(qū)域可讀可寫
MAP_SHARED,//映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會寫回到原來的文件
mem_fd,
BASE //被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

成功執(zhí)行時，mmap()函數(shù)返回被映射區(qū)的指針。普通文件被映射到進程地址空間后，進程可以像訪問普通內(nèi)存一樣對文件進行訪問，不必再調(diào)用read()，write()等操作。只需要使用返回的地址指針在對應(yīng)的寄存器的偏移地址賦值，就可以完成操作。在例程中已經(jīng)將函數(shù)接口引出（詳細的代碼請參考例程）：
ptr=Timer_Init();//初始化，將定時器地址映射到用戶進程
Timer_Start(ptr, GPIO0, 0xfffffffa); //啟動定時器，并設(shè)置時間和哪一位GPIO

定時器是從0計數(shù)到0xffffffff，需要實現(xiàn)定時功能，我們就要改變定時器的初值，上面的程序中0xfffffffa為定時器的初值，前面提到過由于EM335x定時器時鐘為24MHZ，所以定時器單位時間為1/24000000=41.6ns，假設(shè)程序訪問寄存器還需要花費時間T0，在計算初值的時候，就需要加上這一部分時間才能保證準(zhǔn)確性，因此定時器取值的計算公式為：
T=0xffffffff-(目標(biāo)延時/41.6ns)+T0

經(jīng)過測試，執(zhí)行一次程序訪問寄存器所需花費的時間大約為T0=800ns。舉個例子，比如目標(biāo)延時為2μs，那么定時器初值為：0xffffffff-(2000/41.6)+800，也就是0xffffffe2，測試的時候帶入這個值，再進行微調(diào)，即可得到想要的結(jié)果。

使用英創(chuàng)工控主板運行例程測試，分別測試延時1μs，1.5μs，2μs，5μs，10μs時的精度，結(jié)果如下：

1us的測試波形

1.5μs的測試波形

2μs的測試波形

5μs的測試波形

10μs的測試波形

可以看到，在1μs時，誤差范圍在±200ns左右，超過1μs，其余的取值，誤差都在±100ns以內(nèi)，隨著延時的增加，精確度將越來越高，在10μs的時候，誤差已經(jīng)非常小了。

通過以上方案實現(xiàn)了在用戶進程對精確延時的操作，詳細的操作代碼請參考例程。

關(guān)于這一方法在EM9x60系列工控主板上的實現(xiàn)可閱讀下文：英創(chuàng)嵌入式主板支持精確延時操作之二

注意事項：我們推薦客戶直接使用例程中引出的接口進行操作，不推薦客戶對硬件訪問這一部分代碼進行修改，以免在操作的時候出現(xiàn)無法預(yù)估的錯誤。