Linux內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動之內(nèi)核的時間管理筆記整理

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 * linux內(nèi)核的時間管理
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(1)內(nèi)核中的時間概念

時間管理在linux內(nèi)核中占有非常重要的作用。

相對于事件驅(qū)動而言，內(nèi)核中有大量函數(shù)是基于時間驅(qū)動的。

有些函數(shù)是周期執(zhí)行的，比如每10毫秒刷新一次屏幕；

有些函數(shù)是推后一定時間執(zhí)行的，比如內(nèi)核在500毫秒后執(zhí)行某項任務(wù)。

要區(qū)分：

• *絕對時間和相對時間
• *周期性產(chǎn)生的事件和推遲執(zhí)行的事件

周期性事件是由系統(tǒng)系統(tǒng)定時器驅(qū)動的

(2)HZ值

內(nèi)核必須在硬件定時器的幫助下才能計算和管理時間。

定時器產(chǎn)生中斷的頻率稱為節(jié)拍率(tick rate)。

在內(nèi)核中指定了一個變量HZ，內(nèi)核初始化的時候會根據(jù)這個值確定定時器的節(jié)拍率。

HZ定義在<asm/param.h>，在i386平臺上，目前采用的HZ值是1000。

也就是時鐘中斷每秒發(fā)生1000次，周期為1毫秒。即：

#define HZ 1000

注意！HZ不是個固定不變的值，它是可以更改的，可以在內(nèi)核源代碼配置的時候輸入。

不同的體系結(jié)構(gòu)其HZ值是不一樣的，比如arm就采用100。

如果在驅(qū)動中要使用系統(tǒng)的中斷頻率，直接使用HZ，而不要用100或1000

a.理想的HZ值

i386的HZ值一直采用100，直到2.5版后才改為1000。

提高節(jié)拍率意味著時鐘中斷產(chǎn)生的更加頻繁，中斷處理程序也會更頻繁地執(zhí)行。

帶來的好處有：

• *內(nèi)核定時器能夠以更高的頻率和更高的準(zhǔn)確度運行
• *依賴定時器執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用，比如poll()和select()，運行的精度更高
• *提高進程搶占的準(zhǔn)確度

(縮短了調(diào)度延時，如果進程還剩2ms時間片，在10ms的調(diào)度周期下，進程會多運行8ms。
由于耽誤了搶占，對于一些對時間要求嚴(yán)格的任務(wù)會產(chǎn)生影響)

壞處有：

*節(jié)拍率要高，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)越重。

中斷處理程序?qū)⒄加酶嗟奶幚砥鲿r間。

(3)jiffies

全局變量jiffies用于記錄系統(tǒng)啟動以來產(chǎn)生的節(jié)拍的總數(shù)。

啟動時，jiffies初始化為0，此后每次時鐘中斷處理程序都會增加該變量的值。

這樣，系統(tǒng)啟動后的運行時間就是jiffies/HZ秒

jiffies定義于<linux/jiffies.h>中：

extern unsigned long volatile jiffies;

jiffies變量總是為unsigned long型。

因此在32位體系結(jié)構(gòu)上是32位，而在64位體系上是64位。對于32位的jiffies，如果HZ為1000，49.7天后會溢出。雖然溢出的情況不常見，但程序在檢測超時時仍然可能因為回繞而導(dǎo)致錯誤。linux提供了4個宏來比較節(jié)拍計數(shù)，它們能正確地處理節(jié)拍計數(shù)回繞。

#include <linux/jiffies.h>
#define time_after(unknown, known)    // unknow > known
#define time_before(unknown, known)   // unknow < known
#define time_after_eq(unknown, known)  // unknow >= known
#define time_before_eq(unknown, known)  // unknow <= known

unknown通常是指jiffies，known是需要對比的值(常常是一個jiffies加減后計算出的相對值)例：

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 0.5秒后超時 */
...
if(time_before(jiffies, timeout)){
/* 沒有超時，很好 */
}else{
/* 超時了，發(fā)生錯誤 */

time_before可以理解為如果在超時(timeout)之前(before)完成

*系統(tǒng)中還聲明了一個64位的值jiffies_64，在64位系統(tǒng)中jiffies_64和jiffies是一個值。

可以通過get_jiffies_64()獲得這個值。

*使用

u64 j2;
j2 = get_jiffies_64();

(4)獲得當(dāng)前時間

驅(qū)動程序中一般不需要知道墻鐘時間(也就是年月日的時間)。但驅(qū)動可能需要處理絕對時間。
為此，內(nèi)核提供了兩個結(jié)構(gòu)體，都定義在<linux/time.h>：

struct timeval {
 time_t tv_sec; /* seconds */
 suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};
//較老，但很流行。采用秒和毫秒值，保存了1970年1月1日0點以來的秒數(shù)
struct timespec {
 time_t tv_sec; /* seconds */
 long tv_nsec; /* nanoseconds */
};
//較新，采用秒和納秒值保存時間。

do_gettimeofday()該函數(shù)用通常的秒或微秒來填充一個指向struct timeval的指針變量，原型如下：

#include <linux/time.h>
void do_gettimeofday(struct timeval *tv);

current_kernel_time()該函數(shù)可用于獲得timespec

#include <linux/time.h>
struct timespec current_kernel_time(void);

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 *確定時間的延遲執(zhí)行
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設(shè)備驅(qū)動程序經(jīng)常需要將某些特定代碼延遲一段時間后執(zhí)行，通常是為了讓硬件能完成某些任務(wù)。

長于定時器周期(也稱為時鐘嘀嗒)的延遲可以通過使用系統(tǒng)時鐘完成，而非常短的延時則通過軟件循環(huán)的方式完成

(1)短延時

對于那些最多幾十個毫秒的延遲，無法借助系統(tǒng)定時器。

系統(tǒng)通過軟件循環(huán)提供了下面的延遲函數(shù)：

#include <linux/delay.h> 
/* 實際在<asm/delay.h> */
void ndelay(unsigned long nsecs); /*延遲納秒 */
void udelay(unsigned long usecs); /*延遲微秒 */
void mdelay(unsigned long msecs); /*延遲毫秒 */

這三個延遲函數(shù)均是忙等待函數(shù)，在延遲過程中無法運行其他任務(wù)。

實際上，當(dāng)前所有平臺都無法達到納秒精度。

(2)長延時

a.在延遲到期前讓出處理器

while(time_before(jiffies, j1))
schedule();

在等待期間可以讓出處理器，但系統(tǒng)無法進入空閑模式(因為這個進程始終在進行調(diào)度)，不利于省電。

b.超時函數(shù)

#include <linux/sched.h>
signed long schedule_timeout(signed long timeout);

使用方式：

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
schedule_timeout(2*HZ); /* 睡2秒 */

進程經(jīng)過2秒后會被喚醒。如果不希望被用戶空間打斷，可以將進程狀態(tài)設(shè)置為TASK_UNINTERRUPTIBLE。

msleep
ssleep  // 秒

(3)等待隊列

使用等待隊列也可以實現(xiàn)長延遲。

在延遲期間，當(dāng)前進程在等待隊列中睡眠。

進程在睡眠時，需要根據(jù)所等待的事件鏈接到某一個等待隊列。

a.聲明等待隊列

等待隊列實際上就是一個進程鏈表，鏈表中包含了等待某個特定事件的所有進程。

#include <linux/wait.h>
struct __wait_queue_head {
    spinlock_t lock;
    struct list_head task_list;
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

要想把進程加入等待隊列，驅(qū)動首先要在模塊中聲明一個等待隊列頭，并將它初始化。

靜態(tài)初始化

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name);

動態(tài)初始化

wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);

b.等待函數(shù)

進程通過調(diào)用下面函數(shù)可以在某個等待隊列中休眠固定的時間：

#include <linux/wait.h>
long wait_event_timeout(wait_queue_head_t q,condition, long timeout);
long wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_t q, condition, long timeout);

調(diào)用這兩個函數(shù)后，進程會在給定的等待隊列q上休眠，但會在超時(timeout)到期時返回。

如果超時到期，則返回0，如果進程被其他事件喚醒，則返回剩余的時間數(shù)。

如果沒有等待條件，則將condition設(shè)為0

使用方式：

wait_queue_head_t wait;
init_waitqueue_head(&wait);
wait_event_interruptible_timeout(wait, 0, 2*HZ); 
/*當(dāng)前進程在等待隊列wait中睡2秒 */

(4)內(nèi)核定時器

還有一種將任務(wù)延遲執(zhí)行的方法是采用內(nèi)核定時器。與前面幾種延遲方法不同，內(nèi)核定時器并不會阻塞當(dāng)前進程，啟動一個內(nèi)核定時器只是聲明了要在未來的某個時刻執(zhí)行一項任務(wù)，當(dāng)前進程仍然繼續(xù)執(zhí)行。不要用定時器完成硬實時任務(wù)

定時器由結(jié)構(gòu)timer_list表示，定義在<linux/timer.h>

struct timer_list{
struct list_head entry; /* 定時器鏈表 */
unsigned long expires; /* 以jiffies為單位的定時值 */
spinlock_t lock;
void(*function)(unsigned long); /* 定時器處理函數(shù) */
unsigned long data; /* 傳給定時器處理函數(shù)的參數(shù) */
}

內(nèi)核在<linux/timer.h>中提供了一系列管理定時器的接口。

a.創(chuàng)建定時器

struct timer_list my_timer;

b.初始化定時器

init_timer(&my_timer);
/* 填充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */
my_timer.expires = jiffies + delay;
my_timer.data = 0;
my_timer.function = my_function; /*定時器到期時調(diào)用的函數(shù)*/

c.定時器的執(zhí)行函數(shù)

超時處理函數(shù)的原型如下：

void my_timer_function(unsigned long data);

可以利用data參數(shù)用一個處理函數(shù)處理多個定時器?？梢詫ata設(shè)為0

d.激活定時器

add_timer(&my_timer);

定時器一旦激活就開始運行。

e.更改已激活的定時器的超時時間

mod_timer(&my_timer,
    jiffies+ney_delay);

可以用于那些已經(jīng)初始化但還沒激活的定時器，如果調(diào)用時定時器未被激活則返回0，否則返回1。一旦mod_timer返回，定時器將被激活。

f.刪除定時器

del_timer(&my_timer);

被激活或未被激活的定時器都可以使用，如果調(diào)用時定時器未被激活則返回0，否則返回1。不需要為已經(jīng)超時的定時器調(diào)用，它們被自動刪除

g.同步刪除

del_time_sync(&my_timer);

在smp系統(tǒng)中，確保返回時，所有的定時器處理函數(shù)都退出。不能在中斷上下文使用。

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 *不確定時間的延遲執(zhí)行
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(1)什么是不確定時間的延遲

前面介紹的是確定時間的延遲執(zhí)行，但在寫驅(qū)動的過程中經(jīng)常遇到這種情況：用戶空間程序調(diào)用read函數(shù)從設(shè)備讀數(shù)據(jù)，但設(shè)備中當(dāng)前沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)。此時，驅(qū)動的read函數(shù)默認(rèn)的操作是進入休眠，一直等待到設(shè)備中有了數(shù)據(jù)為止。

這種等待就是不定時的延遲，通常采用休眠機制來實現(xiàn)。

(2)休眠

休眠是基于等待隊列實現(xiàn)的，前面我們已經(jīng)介紹過wait_event系列函數(shù)，但現(xiàn)在我們將不會有確定的休眠時間。

當(dāng)進程被置入休眠時，會被標(biāo)記為特殊狀態(tài)并從調(diào)度器的運行隊列中移走。

直到某些事件發(fā)生后，如設(shè)備接收到數(shù)據(jù)，則將進程重新設(shè)為運行態(tài)并進入運行隊列進行調(diào)度。

休眠函數(shù)的頭文件是<linux/wait.h>，具體的實現(xiàn)函數(shù)在kernel/wait.c中。

a.休眠的規(guī)則

• *永遠(yuǎn)不要在原子上下文中休眠
• *當(dāng)被喚醒時，我們無法知道睡眠了多少時間，也不知道醒來后是否獲得了我們需要的資源
• *除非知道有其他進程會在其他地方喚醒我們，否則進程不能休眠

b.等待隊列的初始化

見前文

c.休眠函數(shù)

linux最簡單的睡眠方式為wait_event宏。該宏在實現(xiàn)休眠的同時，檢查進程等待的條件。

1. void wait_event(
   wait_queue_head_t q, 
   int condition);

2. int wait_event_interruptible(
   wait_queue_head_t q, 
   int condition);

• q: 是等待隊列頭，注意是采用值傳遞。
• condition: 任意一個布爾表達式，在條件為真之前，進程會保持休眠。
• 注意！進程需要通過喚醒函數(shù)才可能被喚醒，此時需要檢測條件。
• 如果條件滿足，則被喚醒的進程真正醒來；
• 如果條件不滿足，則進程繼續(xù)睡眠。

d.喚醒函數(shù)

當(dāng)我們的進程睡眠后，需要由其他的某個執(zhí)行線程(可能是另一個進程或中斷處理例程)喚醒。喚醒函數(shù)：

#include <linux/wait.h>
1. void wake_up(
  wait_queue_head_t *queue);

2. void wake_up_interruptible(
  wait_queue_head_t *queue);

wake_up會喚醒等待在給定queue上的所有進程。而wake_up_interruptible喚醒那些執(zhí)行可中斷休眠的進程。實踐中，約定做法是在使用wait_event時使用wake_up，而使用wait_event_interruptible時使用wake_up_interruptible。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，謝謝大家對腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請查看下面相關(guān)鏈接