Linux內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)之內(nèi)核的時(shí)間管理筆記整理

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/******************
 * linux內(nèi)核的時(shí)間管理
 ******************/

(1)內(nèi)核中的時(shí)間概念

時(shí)間管理在linux內(nèi)核中占有非常重要的作用。

相對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)而言，內(nèi)核中有大量函數(shù)是基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)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(shí)間執(zhí)行的，比如內(nèi)核在500毫秒后執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)。

要區(qū)分：

  • *絕對(duì)時(shí)間和相對(duì)時(shí)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(shí)器驅(qū)動(dòng)的

(2)HZ值

內(nèi)核必須在硬件定時(shí)器的幫助下才能計(jì)算和管理時(shí)間。

定時(shí)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(gè)變量HZ，內(nèi)核初始化的時(shí)候會(huì)根據(jù)這個(gè)值確定定時(shí)器的節(jié)拍率。

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

也就是時(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)鐘中斷產(chǎn)生的更加頻繁，中斷處理程序也會(huì)更頻繁地執(zhí)行。

帶來的好處有：

  • *內(nèi)核定時(shí)器能夠以更高的頻率和更高的準(zhǔn)確度運(yùn)行

  • *依賴定時(shí)器執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用，比如poll()和select()，運(yùn)行的精度更高

  • *提高進(jìn)程搶占的準(zhǔn)確度

(縮短了調(diào)度延時(shí)，如果進(jìn)程還剩2ms時(shí)間片，在10ms的調(diào)度周期下，進(jìn)程會(huì)多運(yùn)行8ms。
由于耽誤了搶占，對(duì)于一些對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的任務(wù)會(huì)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(shí)間。

(3)jiffies

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

啟動(dòng)時(shí)，jiffies初始化為0，此后每次時(shí)鐘中斷處理程序都會(huì)增加該變量的值。

這樣，系統(tǒng)啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)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(duì)于32位的jiffies，如果HZ為1000，49.7天后會(huì)溢出。雖然溢出的情況不常見，但程序在檢測(cè)超時(shí)時(shí)仍然可能因?yàn)榛乩@而導(dǎo)致錯(cuò)誤。linux提供了4個(gè)宏來比較節(jié)拍計(jì)數(shù)，它們能正確地處理節(jié)拍計(jì)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(duì)比的值(常常是一個(gè)jiffies加減后計(jì)算出的相對(duì)值)例：

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

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

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

可以通過get_jiffies_64()獲得這個(gè)值。

*使用

u64 j2;
j2 = get_jiffies_64();

(4)獲得當(dāng)前時(shí)間

驅(qū)動(dòng)程序中一般不需要知道墻鐘時(shí)間(也就是年月日的時(shí)間)。但驅(qū)動(dòng)可能需要處理絕對(duì)時(shí)間。
為此，內(nèi)核提供了兩個(gè)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(diǎn)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(shí)間。

do_gettimeofday()該函數(shù)用通常的秒或微秒來填充一個(gè)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);
/********************
 *確定時(shí)間的延遲執(zhí)行
 *******************/

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常需要將某些特定代碼延遲一段時(shí)間后執(zhí)行，通常是為了讓硬件能完成某些任務(wù)。

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

(1)短延時(shí)

對(duì)于那些最多幾十個(gè)毫秒的延遲，無法借助系統(tǒng)定時(shí)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(shí)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(gè)延遲函數(shù)均是忙等待函數(shù)，在延遲過程中無法運(yùn)行其他任務(wù)。

實(shí)際上，當(dāng)前所有平臺(tái)都無法達(dá)到納秒精度。

(2)長(zhǎng)延時(shí)

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(jìn)入空閑模式(因?yàn)檫@個(gè)進(jìn)程始終在進(jìn)行調(diào)度)，不利于省電。

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

msleep
ssleep  // 秒

(3)等待隊(duì)列

使用等待隊(duì)列也可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延遲。

在延遲期間，當(dāng)前進(jìn)程在等待隊(duì)列中睡眠。

進(jìn)程在睡眠時(shí)，需要根據(jù)所等待的事件鏈接到某一個(gè)等待隊(duì)列。

a.聲明等待隊(duì)列

等待隊(duì)列實(shí)際上就是一個(gè)進(jìn)程鏈表，鏈表中包含了等待某個(gè)特定事件的所有進(jìn)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(jìn)程加入等待隊(duì)列，驅(qū)動(dòng)首先要在模塊中聲明一個(gè)等待隊(duì)列頭，并將它初始化。

靜態(tài)初始化

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name);

動(dòng)態(tài)初始化

wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);

b.等待函數(shù)

進(jìn)程通過調(diào)用下面函數(shù)可以在某個(gè)等待隊(duì)列中休眠固定的時(shí)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(gè)函數(shù)后，進(jìn)程會(huì)在給定的等待隊(duì)列q上休眠，但會(huì)在超時(shí)(timeout)到期時(shí)返回。

如果超時(shí)到期，則返回0，如果進(jìn)程被其他事件喚醒，則返回剩余的時(shí)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(jìn)程在等待隊(duì)列wait中睡2秒 */

(4)內(nèi)核定時(shí)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(shí)器。與前面幾種延遲方法不同，內(nèi)核定時(shí)器并不會(huì)阻塞當(dāng)前進(jìn)程，啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)核定時(shí)器只是聲明了要在未來的某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，當(dāng)前進(jìn)程仍然繼續(xù)執(zhí)行。不要用定時(shí)器完成硬實(shí)時(shí)任務(wù)

定時(shí)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(shí)器鏈表 */
unsigned long expires; /* 以jiffies為單位的定時(shí)值 */
spinlock_t lock;
void(*function)(unsigned long); /* 定時(shí)器處理函數(shù) */
unsigned long data; /* 傳給定時(shí)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(shí)器的接口。

a.創(chuàng)建定時(shí)器

struct timer_list my_timer;

b.初始化定時(shí)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(shí)器到期時(shí)調(diào)用的函數(shù)*/

c.定時(shí)器的執(zhí)行函數(shù)

超時(shí)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(gè)處理函數(shù)處理多個(gè)定時(shí)器?？梢詫ata設(shè)為0

d.激活定時(shí)器

add_timer(&my_timer);

定時(shí)器一旦激活就開始運(yùn)行。

e.更改已激活的定時(shí)器的超時(shí)時(shí)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(shí)器，如果調(diào)用時(shí)定時(shí)器未被激活則返回0，否則返回1。一旦mod_timer返回，定時(shí)器將被激活。

f.刪除定時(shí)器

del_timer(&my_timer);

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

g.同步刪除

del_time_sync(&my_timer);

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

/********************
 *不確定時(shí)間的延遲執(zhí)行
 *******************/

(1)什么是不確定時(shí)間的延遲

前面介紹的是確定時(shí)間的延遲執(zhí)行，但在寫驅(qū)動(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)的read函數(shù)默認(rèn)的操作是進(jìn)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(shí)的延遲，通常采用休眠機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

(2)休眠

休眠是基于等待隊(duì)列實(shí)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(huì)有確定的休眠時(shí)間。

當(dāng)進(jìn)程被置入休眠時(shí)，會(huì)被標(biāo)記為特殊狀態(tài)并從調(diào)度器的運(yùn)行隊(duì)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(jìn)程重新設(shè)為運(yùn)行態(tài)并進(jìn)入運(yùn)行隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。

休眠函數(shù)的頭文件是<linux/wait.h>，具體的實(shí)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(shí)，我們無法知道睡眠了多少時(shí)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(jìn)程會(huì)在其他地方喚醒我們，否則進(jìn)程不能休眠

b.等待隊(duì)列的初始化

見前文

c.休眠函數(shù)

linux最簡(jiǎn)單的睡眠方式為wait_event宏。該宏在實(shí)現(xiàn)休眠的同時(shí)，檢查進(jìn)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(duì)列頭，注意是采用值傳遞。

  • condition: 任意一個(gè)布爾表達(dá)式，在條件為真之前，進(jìn)程會(huì)保持休眠。

  • 注意！進(jìn)程需要通過喚醒函數(shù)才可能被喚醒，此時(shí)需要檢測(cè)條件。

  • 如果條件滿足，則被喚醒的進(jìn)程真正醒來；

  • 如果條件不滿足，則進(jìn)程繼續(xù)睡眠。

d.喚醒函數(shù)

當(dāng)我們的進(jìn)程睡眠后，需要由其他的某個(gè)執(zhí)行線程(可能是另一個(gè)進(jìn)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(huì)喚醒等待在給定queue上的所有進(jìn)程。而wake_up_interruptible喚醒那些執(zhí)行可中斷休眠的進(jìn)程。實(shí)踐中，約定做法是在使用wait_event時(shí)使用wake_up，而使用wait_event_interruptible時(shí)使用wake_up_interruptible。

感謝各位的閱讀！關(guān)于“Linux內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)之內(nèi)核的時(shí)間管理筆記整理”這篇文章就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，讓大家可以學(xué)到更多知識(shí)，如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到吧！

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