linux内核定时器

时间：2021-11-04 03:34:08

Linux内核定时器，一个硬件逻辑单元，系统的定时器硬件，定时一一定周期频率输出方波，给CPU产生定时器中断。以某种频率自行触发时钟中断，其频率可通过变成预定。

在内核中，有一个对应的时钟中断的处理程序，这个中断处理程序一般会做下面的事情：
1. 更新系统的运行时间（jiffies）；
2. 更新实际时间（年月日时分秒）；
3. 检查进程的时间片，如果时间片用尽了，将重新调度；
4. 检查有没有超时的定时器，更新资源消耗和CPU时间的统计值。

我们系统的时间没有百分之百精准的，因为我们的进程是放在一个链表里面等待执行的，因此系统要遍历链表，而这点时间就产生了误差，我们只能尽量减少这种误差。还记得我们的开发板的时钟每次掉电后时间就不对了，这是因为掉电以后有一个纽扣电池给RTC（硬件）供电，但是我们的纽扣电池显然已经没电了。。。RTC是用来维护时间的硬件

下面是几个重要的概念：
1. 节拍率HZ，内核的一个常数，系统的定时器频率，与体系结构相关，系统启动根据HZ设置定时器硬件，描述一秒钟硬件定时器发生了多少次中断，这个值最终会写入硬件定时器中，HZ=100，表示1s（ARM平台）产生100次时钟中断，在32位系统中为1000次。
2. 节拍tick：HZ的倒数，每发生一次硬件定时器中断的时间间隔，1tick = 1/HZ = 10ms(HZ=100)。
3. jiffies：内核的全局变量（32位，unsigned long），被用来记录开机以来，发生了多少次时钟中断，每发生一次时钟中断（tick数），jiffies加1，一般使用它来描述当前时间。如：unsigned long timeout = jiffies + 3 * HZ，timeout表示3s以后的时间。jiffies的定义为：extern unsigned long volatile jiffies; 其中volatile关键字是为了防止系统对此数据进行优化，即每次访问jiffies都从内存去访问，而不是访问寄存器。顺便提一下，访问的速度由高到底为：寄存器 > cache > 内存 > 外存

jiffies回绕问题

我们知道，jiffies是内核定义的全局变量，它的值会一直自增，它在内核中定义为无符号长整型，因此在32位系统中最大值为32^2-1,在64位系统中为64^2-1,所以，当jiffies增加到最大值时，又会回到0，这时候和系统运行的时间当然就不对了，这就是回绕问题，

这里有个例子说明一下：

unsigned long timeout = jiffies + HZ / 2;
/*do something*/
....................
/*check timeout*/
if(timeout > jiffies)
{
/*not timeout*/
}
else
{
/*it is timeout!*/
}

这个程序用timeout来检测程序的执行是否超时，timeout设为jiffies加上0.5秒，如果jiffies回环了，那么程序就会出错。

因此，linux定义了下面四个比较函数

#define time_after(jiffies, timeout) ((long)(known) - (long)(unknown) < 0)
#define time_before(jiffies, timeout) ((long)(known) - (long)(unknown) < 0)
#define time_after_eq(jiffies, timeout) ((long)(known) - (long)(unknown) >= 0)
#define time_before_eq(jiffies, timeout) ((long)(known) - (long)(unknown) >= 0)

可以看出这里是将无符号的类型换成了有符号的类型，因此这样就可以降到负数，那么负数从补码变为原码，这时再比较原码就能得出正确结果，下面举两个例子：

  1. 无符号数据jiffies为250，补码为11111010，timeout为252，补码为11111100，过一会儿jiffies变为1，即00000001，这时候明显两次的jiffies数据都比timeout小，结果与实际不符合

  2. 有符号数据jiffies为250，补码转为原码（符号位不变，其余取反，最后加1，要进位）：10000110，十进制为-6；有符号数据timeout为252，补码转为原码：10000100，十进制为-4，过一会儿jiffies变为1，补码转为原码：00000001，即为1，此时timeout的值刚好夹在中间，那么就巧妙地解决了回绕问题。

内核定时器能指定某个函数（定时器函数）在特定的未来某个时刻执行，且内核定时器注册的处理函数只执行一次，不是循环的。

内核定时器定义：

<linux/timer.h>
struct timer_list{
struct list_head entry;  //链表头，内核维护
unsigned long expires;   //超时时候jiffies的值，jiffies + 5*HZ
void(*function)(unsigned long); //超时处理函数
unsigned long data; //内核调用超时处理函数时传递给他的参数，一般为指针
struct tvec_base *base;  //内核维护
}

分配一个定时器：

struct timer_list timer;

初始化定时器：

init_timer(&timer);  //内核只初始化自己关心的字段
time.expires = jiffies + 5 * HZ; //设置超时时间为5s以后
timer.function = mytimer_function;  //设置超时处理函数
timer.data = (unsigned long)&mydata;  //给函数传递的参数

启动定时器：

add_time(&timer);  //一旦定时器到期，内核会自动删除定时器，处理函数只能被执行一次

删除定时器：

del_timer(&timer);

修改定时器：

mod_timer(&timer, 新的超时时候的jiffies值);
mod_timer(&timer, jiffies + 10 * HZ);
mod_timer = del_timer + expires = 新值 + add_timer;

如果想重复循环执行定时器的处理函数，只需在超时处理函数中重新启动定时器即可。

下面是一些关于定时器的代码例程：

定时器控制led闪烁间隔：

/*********************************************************************************
 * Copyright: (C) 2017 tangyanjun<519656780@qq.com>
 * All rights reserved.
 *
 * Filename: timer.c
 * Description: This file
 *
 * Version: 1.0.0(08/21/2017)
 * Author: tangyanjun <519656780@qq.com>
 * ChangeLog: 1, Release initial version on "08/21/2017 08:38:55 PM"
 *
 ********************************************************************************/
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/timer.h>
#include <asm/gpio.h>
#include <plat/gpio-cfg.h>

static struct timer_list mytimer;
static int mydata = 0x5555;

static void mytimer_function(unsigned long data)
{
static int i = 0;
if(i == 100)
    {
        i = 0;
    }
else if((i % 2) == 0)
    {
        gpio_direction_output(S3C2410_GPB(5), 1);
    }
else
    {
        gpio_direction_output(S3C2410_GPB(5), 0);
    }

    i++;

//重复循环执行超时处理函数

    mod_timer(&mytimer, jiffies + 2 * HZ);

//此时定时器的超时时间为0
//add_timer(&mytimer);

//mytimer.expires = jiffies + 2 * HZ;
//add_timer(&mytimer); //因为此执行有可能被别的任务所打断，比如中断，如果在中断处理函数中对mytimer进行操作，最后引起出错，这个执行路劲不是原子的
}

static int mytimer_init(void)
{
//初始化定时器
    init_timer(&mytimer);
//指定定时器的超时时间
    mytimer.expires = jiffies + 2 * HZ;
//指定定时器的超时处理函数
    mytimer.function = mytimer_function;
//给超时处理函数传递的参数
    mytimer.data = (unsigned long)&mydata;

    gpio_request(S3C2410_GPB(5), "LED1");

    gpio_direction_output(S3C2410_GPB(5), 0);
// gpio_set_value(S3C2410_GPB(5), 0);
//启动定时器
    add_timer(&mytimer);

    printk("Start Timer!\n");
    printk("Led on\n");
return 0;
}

static void mytimer_exit(void)
{
    gpio_set_value(S3C2410_GPB(5), 1);
    gpio_free(S3C2410_GPB(5));
//删除定时器
    del_timer(&mytimer);
}

module_init(mytimer_init);
module_exit(mytimer_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
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