linux内核定时器

时间管理和内核定时器

Linux 内核中有大量的函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序、对于我们驱动编写者来说最常用的定时器。硬件定时器提供时钟源，时钟源的频率可以设置，设置好以后就周期性的产生定时中断，系统使用定时中断来计时。中断周期性产生的频率就是系统频率，也叫做节拍率(tick rate)(有的资料也叫系统频率)。

可以在编译 Linux 内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率，

1 2	-> Kernel Features -> Timer frequency (<choice> [=y])

高节拍率和低节拍率的优缺点：

①、高节拍率会提高系统时间精度，如果采用 100Hz 的节拍率，时间精度就是 10ms，采用1000Hz 的话时间精度就是 1ms，精度提高了 10 倍。高精度时钟的好处有很多，对于那些对时间要求严格的函数来说，能够以更高的精度运行，时间测量也更加准确。
②、高节拍率会导致中断的产生更加频繁，频繁的中断会加剧系统的负担， 1000Hz 和 100Hz的系统节拍率相比，系统要花费 10 倍的“精力”去处理中断。中断服务函数占用处理器的时间增加，但是现在的处理器性能都很强大，所以采用 1000Hz 的系统节拍率并不会增加太大的负载压力。根据自己的实际情况，选择合适的系统节拍率。

Linux 内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数，系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0， jiffies 定义在文件 include/linux/jiffies.h 中，定义如下：

1 2	extern u64 __jiffy_data jiffies_64; extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

jiffies_64 和 jiffies 其实是同一个东西， jiffies_64 用于 64 位系统，而 jiffies 用于 32 位系统。为了兼容不同的硬件， jiffies 其实就是 jiffies_64 的低 32 位。

当我们访问 jiffies 的时候其实访问的是 jiffies_64 的低 32 位，使用 get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值。在 32 位的系统上读取 jiffies 的值，在 64 位的系统上 jiffes 和 jiffies_64表示同一个变量，因此也可以直接读取 jiffies 的值。所以不管是 32 位的系统还是 64 位系统，都可以使用 jiffies。

HZ 表示每秒的节拍数，jiffies 表示系统运行的 jiffies 节拍数，所以 jiffies/HZ 就是系统运行时间，单位为秒。

不管是 32 位还是 64 位的 jiffies，都有溢出的风险，溢出以后会重新从 0 开始计数，相当于绕回来了，因此有些资料也将这个现象也叫做绕回。 Linux 内核提供了如表所示的几个 API 函数来处理绕回

Linux 内核提供了几个 jiffies 和 ms、 us、 ns 之间的转换函数

内核定时器

定时器是一个很常用的功能，需要周期性处理的工作都要用到定时器。 Linux 内核定时器采用系统时钟来实现，并不是我们在裸机篇中讲解的 PIT 等硬件定时器。 Linux 内核定时器使用很简单，只需要提供超时时间(相当于定时值)和定时处理函数即可，当超时时间到了以后设置的定时处理函数就会执行，和我们使用硬件定时器的套路一样，只是使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。在使用内核定时器的时候要注意一点，内核定时器并不是周期性运行的，超时以后就会自动关闭，因此如果想要实现周期性定时，那么就需要在定时处理函数中重新开启定时器。

Linux 内核使用 timer_list 结构体表示内核定时器

struct timer_list {
	struct list_head entry;
	unsigned long expires; /* 定时器超时时间，单位是节拍数 */
	struct tvec_base *base;
	void (*function)(unsigned long); /* 定时处理函数 */
	unsigned long data; /* 要传递给 function 函数的参数 */
	int slack;
};

定时器API函数

init_timer 函数负责初始化 timer_list 类型变量

1 2	void init_timer(struct timer_list *timer) //timer要初始化定时器，没有返回值

add_timer函数用于向linux内核注册定时器，使用add_timer函数注册定时器以后，定时器运行

1 2	void add_timer(struct timer_list *timer) //timer:要注册的定时器，没有返回值

del_timer函数用于删除一个定时器，不管定时器是否被激活，都能删除。在多处理器系统上，定时器可能会在其他的处理器上运行，因此在调用 del_timer 函数删除定时器之前要先等待其他处理器的定时处理器函数退出。

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int del_timer(struct timer_list *timer)
//timer:要删除的定时器
//返回值: 0 定时器还没被激活，1定时器已经激活

del_timer_sync 函数是 del_timer 函数的同步版，会等待其他处理器使用完定时器再删除，del_timer_sync 不能使用在中断上下文中。

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int del_timer_sync(struct timer_list *timer)
//timer：要删除的定时器。
//返回值： 0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活。

mod_timer 函数用于修改定时值，如果定时器还没有激活的话， mod_timer 函数会激活定时器！

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
//timer:要修改超时时间（定时值）的定时器
//expires:修改后的超时时间
//返回值： 0，调用 mod_timer 函数前定时器未被激活； 1，调用 mod_timer 函数前定时器已被激活。

ioctl函数（设备控制接口函数）

octl是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数。所谓对I/O通道进行管理，就是对设备的一些特性进行控制，例如串口的传输波特率、马达的转速等等。它的调用个数如下：

1	int ioctl(int fd, ind cmd, …)；

其中fd就是用户程序打开设备时使用open函数返回的文件标示符，cmd就是用户程序对设备的控制命令，至于后面的省略号，那是一些补充参数，一般最多一个，有或没有是和cmd的意义相关的。
ioctl函数是文件结构中的一个属性分量，就是说如果你的驱动程序提供了对ioctl的支持，用户就可以在用户程序中使用ioctl函数控制设备的I/O通道。

应用程序调用 ioctl函数向驱动发送控制信息，此函数响应并执行。

内核定时器一般的使用流程

struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
/* 定时器回调函数 */
void function(unsigned long arg)
{
/*
 * 定时器处理代码
 */
/* 如果需要定时器周期性运行的话就使用 mod_timer
 * 函数重新设置超时值并且启动定时器。
 */
	mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
}

/* 初始化函数 */
void init(void)
{
	init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
	timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
	timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间 2 秒 */
	timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */
	add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
}

 /* 退出函数 */
void exit(void)
{
	del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
	 /* 或者使用 */
	del_timer_sync(&timer);
}