【Linux驱动开发】018 内核定时器_linux内核定时器优缺点

一、前言

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)，比如 100Hz、200Hz、250Hz、300Hz、500Hz 和 1000H 等等说的就是系统节拍率。HZ 表示一秒的节拍数，也就是频率。 

系统节拍率是可以设置的，单位是 Hz，我们在编译 Linux 内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率，设置好以后会将配置写入到 Linux 内核源码根目录下的.config 文件。

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二、高低节拍率的优缺点

1、高节拍率会提高系统时间精度。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。

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三、内核节拍率表示

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：

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（共用同一段内存空间）：

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。 

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四、节拍率绕回

HZ 表示每秒的节拍数，jiffies 表示系统运行的 jiffies 节拍数（记录了系统启动以来时钟中断的个数），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。

假如节拍率为最大值 1000Hz 的时候，32 位的 jiffies 只需要 49.7 天就发生了绕回，对于 64 位的 jiffies 来说大概需要 5.8 亿年才能绕回，因此 jiffies_64 的绕回忽略不计。处理 32 位 jiffies 的绕回显得尤为重要。

Linux 内核提供了如表所示的几个 API 函数来处理绕回：

• 如果 unkown 超过 known 的话，time_after 函数返回真，否则返回假。
• 如果 unkown 没有超过 known 的话 time_before 函数返回真，否则返回假。
• time_after_eq 和 time_before_eq 函数相对于其他两个函数只是多了判断等于这个条件。

可以通过以下代码判断某段执行代码执行时间有没有超时：

unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ);    /* 超时的时间点,判断代码执行时间是不是超过了2秒 */
 
/*************************************
    具体的代码
************************************/
 
/* 判断有没有超时 */
if(time_before(jiffies, timeout)) {
    /* 超时未发生 */
} else {
    /* 超时发生 */
}

为了方便开发，Linux 内核提供了几个 jiffies 和 ms、us、ns 之间的转换函数：

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五、内核定时器简介

Linux 内核定时器采用系统时钟（软件时钟）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。

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六、内核定时器 API 函数

Linux 内核使用 timer_list 结构体表示内核定时器，其中，tiemr_list 结构体的expires 成员变量表示超时时间，单位为节拍数，function 就是定时器超时以后的定时处理函数。

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; 
}; 

定义好定时器结构体以后还需要通过一系列的 API 函数来初始化此定时器：

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