Linux内核定时器实战应用：驱动程序中的软件消抖实现与避坑指南

在实际的嵌入式项目中，物理按键（机械开关）必然存在抖动 (Bouncing)。如果只依赖中断，按下一次开关，CPU 可能会检测到十几次电平跳变，导致功能被误触发。此时，利用内核定时器 (Kernel Timer) 来实现软件消抖，是一种常见且有效的解决方案。

消抖的核心思想可以形象地理解为 “让子弹飞一会儿”：

1. 中断发生（顶半部）：在按键按下的瞬间，我们并不立即处理具体的业务逻辑，而是设置或修改一个定时器的超时时间（例如，向后推迟 20ms）。
2. 抖动过滤：如果在接下来的 20ms 内又产生了新的中断（由机械抖动引起），我们再次重置这个定时器，重新开始计时 20ms。
3. 稳定确认：如果 20ms 内没有新的中断触发，则认为电平已经稳定，此时才在定时器的回调函数中执行真正的按键处理逻辑。

这其中的关键机制，是中断处理和定时器管理，它们是 Linux 内核并发编程的重要基础。

下面的代码展示了一个结合 GPIO 中断和内核定时器实现按键消抖的完整驱动示例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/gpio.h> // 需要操作GPIO读取电平
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/timer.h>  // 核心头文件

/*
 * 宏定义：消抖延时 (毫秒)
 * 经验值：机械按键通常在 5ms - 15ms 之间
 */
#define DEBOUNCE_INTERVAL_MS  20

struct my_key_data {
    int irq_num;
    int gpio_num;           // 保存 GPIO 编号，用于在定时器中读取真实电平
    struct timer_list my_timer; // 定义定时器结构体
    struct device *dev;
};

/*
 * =====================================================
 * 3. 定时器超时回调函数 (真正的底半部)
 *
 * 运行环境：SoftIRQ (软中断上下文)
 * 权限：原子上下文，不允许休眠！(不能调用 msleep, mutex等)
 * 如果需要做耗时操作，请在这里 schedule_work()
 * =====================================================
 */
void my_timer_function(struct timer_list *t)
{
    // 通过 from_timer 宏获取父结构体 (类似 container_of)
    struct my_key_data *data = from_timer(data, t, my_timer);
    int val;

    // 读取当前引脚的真实电平，确保不是误触
    // 注意：这里假设按键按下是低电平 (Active Low)
    val = gpio_get_value(data->gpio_num); // 这类GPIO操作在[嵌入式Linux开发](/f/33-1)中很常见
    if (val == 0) { // 依然是低电平，说明按键确实按下了，且稳定了
        dev_info(data->dev, "【按键确认】Key Pressed! (Timer Expired)\n");
        // TODO: 如果这里有复杂的 I2C/SPI 操作，请在这里 schedule_work(&data->my_work);
    } else {
        // 如果变成了高电平，说明刚才的抖动是干扰，或者按键已经抬起了
        dev_info(data->dev, "【抖动/抬起】Ignored jitter.\n");
    }
}

/*
 * =====================================================
 * 2. 顶半部 - 硬件中断
 * 任务：仅仅是重置定时器
 * =====================================================
 */
static irqreturn_t my_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct my_key_data *data = (struct my_key_data *)dev_id;

    /*
     * mod_timer (修改定时器):
     * 如果定时器没激活，它会激活。
     * 如果定时器已经在跑了（比如才过了 5ms），它会把时间重置，重新再等 20ms。
     * 这就完美过滤了连续的抖动波形。
     */
    mod_timer(&data->my_timer, jiffies + msecs_to_jiffies(DEBOUNCE_INTERVAL_MS));
    return IRQ_HANDLED;
}

/*
 * =====================================================
 * 1. 驱动初始化
 * =====================================================
 */
static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_key_data *data;
    int ret;
    enum of_gpio_flags flag;

    data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(struct my_key_data), GFP_KERNEL);
    if (!data) return -ENOMEM;

    data->dev = &pdev->dev;
    platform_set_drvdata(pdev, data);

    // 1. 获取 GPIO 编号 (为了在定时器里读取电平值)
    // 假设设备树里是 gpios = <&gpio1 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    data->gpio_num = of_get_named_gpio_flags(pdev->dev.of_node, "gpios", 0, &flag);
    if (!gpio_is_valid(data->gpio_num)) {
        dev_err(&pdev->dev, "无效的 GPIO\n");
        return -EINVAL;
    }
    // 申请 GPIO (为了读取值)
    if (devm_gpio_request(&pdev->dev, data->gpio_num, "my_key_gpio")) {
         dev_err(&pdev->dev, "无法请求 GPIO\n");
         return -EINVAL;
    }

    // 2. 获取中断号
    data->irq_num = gpio_to_irq(data->gpio_num); // 或者用 platform_get_irq

    // 3. 初始化定时器 (新版内核 API: timer_setup)
    // 参数：定时器指针，回调函数，标志位(通常0)
    timer_setup(&data->my_timer, my_timer_function, 0);

    // 4. 注册中断
    // 注意：触发方式建议设为 双边沿触发 (RISING | FALLING) 或者 下降沿
    // 这样按下和抬起都能被感知到，由定时器去判断稳态
    ret = devm_request_irq(&pdev->dev, data->irq_num, my_irq_handler,
                           IRQF_TRIGGER_FALLING, "my_timer_irq", data);
    if (ret) return ret;

    dev_info(&pdev->dev, "带消抖的按键驱动加载成功.\n");
    return 0;
}

static int my_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_key_data *data = platform_get_drvdata(pdev);

    dev_info(&pdev->dev, "正在卸载...\n");
    /*
     * 关键：删除定时器
     * del_timer_sync 会等待正在其它 CPU 上运行的定时器处理完，
     * 确保彻底停止，防止卸载后访问非法内存。
     */
    del_timer_sync(&data->my_timer);
    return 0;
}

// 适配设备树
static const struct of_device_id my_of_match[] = {
    { .compatible = "learn,my-timer-key" },
    { /* Sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_of_match);

static struct platform_driver my_driver = {
    .probe = my_probe,
    .remove = my_remove,
    .driver = {
        .name = "my_key_driver",
        .of_match_table = my_of_match,
    },
};
module_platform_driver(my_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");

进阶思考：标准做法

虽然亲手实现 GPIO + 中断 + 定时器是极佳的学习路径，但在实际产品开发中，处理按键、触摸屏等输入设备的标准方式是使用 Linux Input Subsystem (输入子系统)。该子系统已经在内核层面封装了中断申请、定时器消抖（开发者通常只需配置 .debounce_interval = 20）以及向用户空间上报标准事件（如 EV_KEY）等一系列复杂操作。本质上，Input 子系统的底层正是封装了我们上面所讨论的 mod_timer 逻辑，这体现了 Linux 内核网络与系统机制中模块化与抽象化的设计思想。