【Linux开发】linux设备驱动归纳总结（七）：1.时间管理与内核延时

linux设备驱动归纳总结（七）：1.时间管理与内核延时

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这节将介绍一些很枯燥的内核，大体是内核中时间的概念和内核延时的使用，并没有源代码。

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一、内核时间的相关概念

墙上时钟：也就是实际时间。

系统时间：自系统启动开始所经过的时间。

时钟中断：内核会周期性的产生时钟中断，在中断处理函数中执行一些与时间相关的操作，如更新时间，进程调度，检查时间片等。

节拍率：在linux内核中，通过编程定义节拍率，也就是HZ。每1/HZ秒发生一次时钟中断。在ARM中，节拍率被定义为100，节拍率越大，系统进入时钟中断就越频繁，时间和进程调度等操作就越准确，但对系统的负担也就越大。

jiffies：该32位（unsigned
long）的全局变量用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数。系统启动时清零，每次时钟中断加一。所以，一秒内的时钟中断次数（或者说jiffies一秒内增加的值）也就等于HZ。如果系统时间以秒来表示，那就等于jiffies/HZ秒。

实时时钟（RTC）：体系结构中用于维持系统时间的设备，就像电脑的BIOS，需要在关机状态时通过电池供电。系统启动时通过读取RTC来初始化墙上时钟。

在这里要补充说一下HZ的值，来自Tekkaman
Ninja的博客。

http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20543672&do=blog&id=94309

在ARM下可以看到如下定义：

/*arch/arm/include/asm/param.h*/

13 #ifdef __KERNEL__

14 # define HZ
CONFIG_HZ /* Internal kernel timer frequency */

15 # define USER_HZ
100 /* User interfaces are in "ticks" */

16 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ) /* like times() */

17 #else

18 # define HZ 100

19 #endif

可以看到：

1、用户空间但到的HZ是100。

2、内核空间的HZ有CONFIG_HZ和__KERNEL__决定，而CONFIG_HZ在.config中定义。

在看另外一处，查看自己编译内核时使用的.config文件：

/*linux-2.6.29/.config */

275 CONFIG_HZ=200

所以，我，不信的话，可以自己
打印来看看。

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二、内核延时

内核提供了很多延时的方法，接下来一一介绍。

2.1、忙等待：

这是最简单的延时方法，直接来段代码说明：

unsigned long delay = jiffies + 5*HZ //5*HZ = 5秒

while(delay < jiffies)

;

内核也有另外一种版本：

unsigned long delay = jiffies + 5*HZ //5*HZ = 5秒

while(delay < jiffies)

cpu_relax; //但ARM下cpu_relax是空语句。

这代码很简单，每时每刻查询当前时间（jiffies）是否已经超出延时（delay）。在还没到达延时的情况下，处理器只能原地旋转等待，一直耗费CPU资源。

所以有了改进版：让出处理器。

unsigned long delay = jiffies + 5*HZ //5*HZ = 5秒

while(delay < jiffies)

schedule(); //让出处理器

虽然当前进程让出处理器，但是它仍在运行队列中，如果系统中只有它这个可运行进程，那么该进程又会重新被执行。那就是说，在延时这段时间内，内核重复一个操作，调度进程。所以我把这个也理解成忙等待。

说一些题外话，jiffies是一个unsigned
long类型的全局变量，当加到4294967295时溢出，从零开始继续增加，这也叫回绕。

由于回绕的问题，内核提供了四个宏来比较超时，它们能正确的处理节拍数回绕情况。

/*linux/jiffies.h */

106 #define time_after(a,b) \

107 (typecheck(unsigned long, a) && \

108 typecheck(unsigned long, b) && \

109 ((long)(b) - (long)(a) < 0))

110 #define time_before(a,b) time_after(b,a)

111

112 #define time_after_eq(a,b)
\

113 (typecheck(unsigned long, a) && \

114 typecheck(unsigned long, b) && \

115 ((long)(a) - (long)(b) >= 0))

116 #define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)

至于为什么能防止回绕，我也纠结了一个上午，该博客有详细的讲解，顺便感叹一下牛人无处不在：

http://blog.csdn.net/yuanlulu/archive/2010/11/18/6019862.aspx

上面的代码修改一下：

unsigned long delay = jiffies + 5*HZ //5*HZ = 5秒

while(time_before(jiffies,
delay))

schedule(); //让出处理器

2.2、短延时：

忙等待的最小时间间隔是1/HZ秒，假设HZ的值为100，那忙等待的时间间隔最小也只是10ms。但在有些内核代码中，不但需要很短的延时，而且时间精确度较高。

#include 

void ndelay(unsigned long nsecs);

void udelay(unsigned long usecs);

void mdelay(unsigned long msecs);

udelay(150);
//微秒

说明一下：

1、一般的体系架构都没办法达到纳秒级的延时标准。

2、udelay的实现是靠执行次数循环达到延时效果。内核知道处理器一秒能执行多少次循环，udelay根据执行的延时时间在1s中的比例，得出需要延时的次数来达到延时。

3、mdelay是基于udelay实现的。超过1ms的延时不要使用udelay，建议使用mdelay。

4、不管是哪种延时，真正的延时至少会达到要求的延时时间，但可能更长。

5、它们也属于忙等待的一种，不过延时时间较短。

2.3、schedule_timeout()：

更理想的延时方法是使用schedule_timeout()函数，该方法让需要延时的任务睡眠，直到指定延时时间耗尽后重新执行。当然它也不能保证睡眠时间和延时时间一致，只能尽量接近。

用法如下：

/*将任务设置为可中断睡眠状态，当然你也可以设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，但不建议*/

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

/*小睡一会，s秒后唤醒*/

schedule_timeout(s*HZ);

2.4、设置超时时间，在等待队列中睡眠：

在字符设备驱动的时候已经介绍过等待队列的基本原理：当任务放在等待队列中，然后调度其他进程执行，一旦等待的事情成立，调用wake_up唤醒等待队列中的进程并重新投入运行。

上面讲得是函数wait_event_interruptible。在这个函数的基础上，增加了延时功能。如果在特定延时时间内等待事件到来，那任务被唤醒。否则，等到特定延时时间耗尽后事件还没发生，那也得唤醒任务。

/*linux/wait.h*/

wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)

使用大概如下：

wait_queue_head_t wait;

init_qaitqueue_head(&wait);

wait_event_interruptible_timeout(wait, 0, s*HZ); //延时s秒

上面的调用condition为0，那表示等待时间永远不成立，只有时间到才能唤醒，相当于：

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

schedule_timeout(s*HZ);

而且，schedule_timeout还少了等待队列创建的操作，减少内核负担。所以，如果不是既要等待延时，又要等待时间发生，那就没必要用到等待队列的延时了。

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三、总结

这一节，简单介绍了内核时间的概念，并知道了几种常用的延时方法。

最后提醒一下，在持有锁和禁止中断时使用忙等待，因为这样会降低系统的速度和性能。

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源代码：无

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2011年1月27号修改。