浅谈linux - 内核时间的处理

概述

对于嵌入式开发，经常会遇到一些定时、延时以及周期调度的情况，所以定时器是必不可少的一种资源。

相对于裸机开发，我们使用定时器只需先选择时钟源，然后设置分频系数和计数值，配置好中断后，就可以静静的等待定时中断的到来即可。

linux操作定时器同裸机基本一致，同样先选择时钟源（操作系统指定，工程师无需配置），然后设置系统频率（也是节拍率），最后指定定时时间即可。

注意

1. 系统时钟频率的配置方法，在linux内核目录中，运行make menuconfig，使用图形界面，选择Kernel Features -> Timer frequency (<choice> [=y])设置。

​

2. 高节拍率可以提高系统时间精度，但随之而来会使得系统中断更加频繁，增大系统的负担，所以用户进行配置时需要根据实际情况而定。

接口

HZ

内核全局常量,ARM架构默认HZ=100,表示一秒钟定时器硬件给CPU发送100次定时器中断,每发送一次中断的时间间隔为10ms。

通过make menuconfig通过界面配置。

jiffies_64和jiffies

内核全局常量,用来记录系统从启动以来的系统节拍数，系统启动的时候会初始化为 0，每发生一次硬件定时器中断加1。

注：jiffies表示jiffies_64的低32位。

/* jiffies_64和jiffies的定义，在linux/jiffy.h文件中 */
/*
 * The 64-bit value is not atomic - you MUST NOT read it
 * without sampling the sequence number in jiffies_lock.
 * get_jiffies_64() will do this for you as appropriate.
 */
extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

当变量jiffies和jiffies_64计数溢出后，数据又会从0开始，这个时候需要判断时间是否绕回。linux提供以下接口用来判断时间是否绕回。

/* 判断时间是否绕回的函数，在linux/jiffy.h文件中 */
#define time_after(a,b)        
    (typecheck(unsigned long, a) && 
     typecheck(unsigned long, b) && 
     ((long)((b) - (a)) < 0))
#define time_before(a,b)    time_after(b,a)

#define time_after_eq(a,b)    
    (typecheck(unsigned long, a) && 
     typecheck(unsigned long, b) && 
     ((long)((a) - (b)) >= 0))
#define time_before_eq(a,b)    time_after_eq(b,a)

/* Same as above, but does so with platform independent 64bit types.
 * These must be used when utilizing jiffies_64 (i.e. return value of
 * get_jiffies_64() */
#define time_after64(a,b)    
    (typecheck(__u64, a) && 
     typecheck(__u64, b) && 
     ((__s64)((b) - (a)) < 0))
#define time_before64(a,b)    time_after64(b,a)

#define time_after_eq64(a,b)    
    (typecheck(__u64, a) && 
     typecheck(__u64, b) && 
     ((__s64)((a) - (b)) >= 0))
#define time_before_eq64(a,b)    time_after_eq64(b,a)

例：判断某段代码执行时间是否超过5s。

/* time_after使用示例 */
unsigned long timeout = jiffies + 5*HZ;  
/* 以下有一堆的代码,CPU执行这些代码也需要时间的，此时jiffies会10ms加1次   */
...    
if (time_after(jiffies, timeout))  
    /* 超时 处理 */
else  
    /* 没超时 处理 */

另外，为了方便开发， 内核提供jiffies和 ms、us、ns之间的转换函数。

/* jiffies与ms、us、ns之间的转换，在linux/jiffy.h文件中 */
extern unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j);
extern unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j);
static inline u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j);

extern unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);
extern unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
extern unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n);

timer_list

内核使用timer_list结构体表示内核定时器。定义在文件include/linux/timer.h中

/* 描述定时器资源的结构， linux/timer.h */
struct timer_list {
    struct list_head entry;
    unsigned long expires;              /* 超时时间、单位是节拍数 */
    struct tvec_base *base;

    void (*function)(unsigned long);    /* 超时函数 */
    unsigned long data;                 /* 传递给超时函数的参数 */
    ...
};

init_timer

内核使用init_timer函数负责初始化timer_list类型变量。

/**
 * 初始化定时器，仅完成申请功能
 * @timer: 定时器对象
 */
#define init_timer(timer)                        
    __init_timer((timer), 0)

注意：init_timer仅仅完成了资源申请等功能，对于timer_list的其余三个重要属性需要工程师手动初始化，示例如下。

/**
 * 初始化定时器示例
 * @timer: 定时器对象
 */
struct timer_list timer;  /* 定义对象 */
init_timer(&timer);       /* 这里仅仅完成申请  */

/* 额外需要工程师初始化关键的三个字段 */
unsigned long g_data = 250;  
timer.function = timer_timer_function;  /* 超时处理函数 */
timer.expires = jiffies + 2*HZ;         /* 指定超时时间 */
timer.data = (unsigned long)&g_data;    /* 传递参数，无参数时可省略 */

/* 根据用户需求编写超时处理函数，注意不能进行休眠操作 */
void timer_timer_function(unsigned long data)  
{  
    data = (unsigned long)&g_data;
    ...
}      

add_timer

内核使用add_timer函数向内核注册定时器。

/**
 * 向内核注册定时器，若设置了超时时间，直接启动定时器
 * @timer: 定时器对象
 */
extern void add_timer(struct timer_list *timer);

del_timer和del_timer_sync

内核使用del_timer和del_timer_sync函数删除定时器，del_timer_sync使用在SMP架构下。

/**
 * 删除定时器，不管定时器有没有被激活，均可删除
 * @timer: 定时器对象
 * @0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活
 */
extern int del_timer(struct timer_list * timer);

/**
 * 删除定时器，SMP中使用，删除时需要等待其它处理器使用完定时器才能删除
 * @timer: 定时器对象
 * @0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活
 */
#ifdef CONFIG_SMP
  extern int del_timer_sync(struct timer_list *timer);
#else
# define del_timer_sync(t)        del_timer(t)
#endif

mod_timer

内核使用mod_timer函数修改定时器超时时间，在定时器还没有激活的情况下，mod_timer函数还会激活定时器。

/**
 * 修改定时值，如果定时器还没有激活的话，mod_timer函数会激活定时器
 * @timer: 定时器对象   expires：修改后的超时时间
 * @0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活
 */
extern int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);

mdelay/ndelay/udelay

内核使用mdelay/ndelay/udelay三个函数用于短延时，其中mdelay和ndelay均是基于udelay实现，而udelay的实现由体系决定和实现。

注意：以上三个延时函数是忙等待机制，延时过程中，不会让出CPU使用权。

/**
 * 短延时，毫秒、微妙、纳秒级的延时，定义在linux/delay.h中
 * @n/x: 延时时间
 */
#ifndef mdelay
#define mdelay(n) (
    (__builtin_constant_p(n) && (n)<=MAX_UDELAY_MS) ? udelay((n)*1000) : 
    ({unsigned long __ms=(n); while (__ms--) udelay(1000);}))
#endif

#ifndef ndelay
static inline void ndelay(unsigned long x)
{
    udelay(DIV_ROUND_UP(x, 1000));
}
#define ndelay(x) ndelay(x)
#endif

msleep/ssleep

msleep和ssleep用于更长的延时，此时的延时不再采用忙等待机制，程序调用msleep和ssleep后，让出CPU权，当然延时有一定的误差。

注意：msleep和msleep_interruptible区别在于，前者不可中断，后者可中断唤醒，当msleep_interruptible被唤醒后，返回初始请求睡眠周期中剩余的毫秒数。

/**
 * 休眠延时，毫秒、秒级的延时，定义在linux/delay.h中
 * @msecs/seconds: 延时时间
 * @msleep_interruptible返回值为初始请求睡眠周期中剩余的毫秒数
 */
void msleep(unsigned int msecs);
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs);
static inline void ssleep(unsigned int seconds);

示例

★一直以来，C语言一直被定义为面向过程语言，主要是因为其缺少一些面向对象的语法（class类），但是我们在构建大型程序的时候一定要具备面向对象的思想来构建。 

★C语言实现面向对象的思路大多是通过结构体和函数指针的方式，本示例中将定时器处理单独抽象为一个模块（timer.c/timer.h），使用结构体struct class_timer定义为类名。

属性：定时器。

行为：添加、删除、修改。

★示例仅用于展示定时器的应用，采用正点原子的阿尔法开发板进行验证。

★包含定时器头文件timer.h和源文件timer.c、驱动源文件timer_drv.c和编译规则文件Makefile（均已验证通过）。

 timer.h

/**
 * @Filename : timer.h
 * @Revision : $Revision: 1.00 $
 * @Author : Feng(更多编程相关的知识和源码见微信公众号：不只会拍照的程序猿，欢迎订阅)
 * @Description : 定时器类定义
**/

#ifndef __TIMER_H__
#define __TIMER_H__

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/slab.h>

/* 定时器类资源定义 */
struct class_timer {
    struct timer_list list;
    void (*del)(struct class_timer *timer);  /* 删除定时器 */ 
    void (*mod)(struct class_timer *timer, const unsigned int msec);     /* 修改定时器定时时间 */
    void (*start)(struct class_timer *timer, const unsigned int msec);   /* 启动定时器，初始化定时时间 */ 
};

/**
 * 创建定时器对象，成功返回类地址，失败返回NULL
 * @func: 超时函数，定时时间到执行
 */
struct class_timer *timer_create(void (*func)(unsigned long));

/**
 * 销毁定时器对象
 * @timer: 对象
 */
void timer_destroy(struct class_timer *timer);

#endif

 timer.c

/**
 * @Filename : timer.c
 * @Revision : $Revision: 1.00 $
 * @Author : Feng(更多编程相关的知识和源码见微信公众号：不只会拍照的程序猿，欢迎订阅)
 * @Description : 定时器类定义
**/
#include "timer.h"

/**
 * 删除定时器
 * @timer: 定时器对象
 */
static void _del(struct class_timer *timer)
{
    del_timer(&timer->list);
}

/**
 * 启动定时器，初始化定时时间
 * @timer: 定时器对象，msec：初始定时时间，毫秒为单位
 */
static void _start(struct class_timer *timer, const unsigned int msec)
{
    timer->list.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(msec); /* 设定超时时间 */
    add_timer(&timer->list); /* 添加定时器 */
}

/**
 * 定时器定时时间修改
 * @timer: 定时器对象，msec：修改的定时时间，毫秒为单位
 */
static void _mod(struct class_timer *timer, const unsigned int msec)
{
    /* 修改定时器：mod_timer=del_timer+expires...+add_timer */
    mod_timer(&timer->list, jiffies + msecs_to_jiffies(msec));
}    


/**
 * 创建定时器对象，成功返回类地址，失败返回NULL
 * @func: 超时函数，定时时间到执行
 */
struct class_timer *timer_create(void (*func)(unsigned long))
{
    struct class_timer *timer = NULL;

    if ((timer = kmalloc(sizeof(struct class_timer), GFP_KERNEL)) == NULL) {
        printk(KERN_ERR "Allocation of timer class failedn");
        return NULL;
    }

    init_timer(&timer->list);       /* 初始化定时器 */
    timer->list.function = func;    /* 指定一个超时处理函数 */

    timer->del = _del;
    timer->mod = _mod;
    timer->start = _start;

    return timer;
}

/**
 * 销毁定时器对象
 * @timer: 对象
 */
void timer_destroy(struct class_timer *timer)
{
    timer->del(timer);
    kfree(timer);
}


EXPORT_SYMBOL_GPL(timer_create);
EXPORT_SYMBOL_GPL(timer_destroy);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("feng");          /* 模块的作者 */
MODULE_VERSION ("1.00");        /* 模块版本号 */

 timer_drv.c

/**
 * @Filename : timer_drv.c
 * @Revision : $Revision: 1.00 $
 * @Author : Feng(更多编程相关的知识和源码见微信公众号：不只会拍照的程序猿，欢迎订阅)
 * @Description : 定时器操作示例
**/

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include "timer.h"

struct class_timer *feng_timer;

/**
 * @定时器的超时处理函数
 * @data: 无效
 */
static void _timer_function(unsigned long data)
{
    static unsigned int time = 0;

    time++;
    printk("the time is: %d s..n", time);

    feng_timer->mod(feng_timer, 1000);      /* 修改定时器,延时1s */
}

/**
 * @模块入口函数
 */
static int __init timer_drv_init(void)
{
    /* 构造定时器对象 */
    if ((feng_timer = timer_create(_timer_function)) == NULL)   
        printk("timer class error...n");

    feng_timer->start(feng_timer, 1000); /* 修改定时器,延时1s */

    printk("timer class ok...n");

    return 0;
}

/**
 * @模块出口函数
 */
static void __exit timer_drv_exit(void)
{
    timer_destroy(feng_timer);          /* 销毁定时器对象 */
}

module_init(timer_drv_init);
module_exit(timer_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

/* 调用modinfo xx(模块名)查看 */
MODULE_AUTHOR("feng");            /* 模块的作者 */
MODULE_VERSION ("1.00");          /* 模块版本号 */
/* MODULE_DESCRIPTION("xxxxx");      模块描述 */
/* MODULE_ALIAS("xxx");              模块别名 */

 Makefile

#根文件所在目录
ROOTFS_DIR = /home/feng/atomic/rootfs

#交叉编译工具链
CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc

#目标文件名
TAR_NAME = timer

#应用程序名字
APP_NAME = $(TAR_NAME)

#驱动目录路径
DRV_DIR = $(ROOTFS_DIR)/home/drv
DRV_DIR_LIB = $(ROOTFS_DIR)/lib/modules/4.1.15

#动态库目录路径
LIB_DIR = $(ROOTFS_DIR)/home/lib

#应用程序目录路径
APP_DIR = $(ROOTFS_DIR)/home/app

#KERNELRELEASE由内核makefile赋值
ifeq ($(KERNELRELEASE), )

#内核路径
KERNEL_DIR =/home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga

#当前文件路径
CURR_DIR = $(shell pwd)

all:
    #编译模块
    make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURR_DIR) modules

    #编译应用程序
    #-$(CC) -o $(APP_NAME) $(APP_NAME).c main.c

clean:
    #清除模块文件
    make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURR_DIR) clean

    #清除应用文件
    #-rm $(APP_NAME)

install:
    #拷贝模块文件
    #cp -raf $(TAR_KEY_NAME)_drv.ko $(TAR_KEY_NAME)_dev.ko $(DRV_DIR)
    #cp -raf keyin.ko wq.ko timer.ko $(DRV_DIR_LIB)
    cp -raf *.ko $(DRV_DIR_LIB)

    #拷贝应用文件
    #-cp -raf $(APP_NAME) $(APP_DIR)
else
#指定编译什么文件
obj-m += $(TAR_NAME)_drv.o timer.o
#obj-m += $(TAR_NAME).o 

endif

结论

1、进入模块目录，执行make命令编译模块；然后执行make install命令，拷贝模块到目标机指定目录。

feng:timer$ make
#编译模块
make -C /home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga M=/mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/timer modules
make[1]: 进入目录“/home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga”
  CC [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/timer/timer.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 2 modules
  CC      /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/timer/timer.mod.o
  LD [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/timer/timer.ko
  CC      /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/timer/timer_drv.mod.o
  LD [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/timer/timer_drv.ko
make[1]: 离开目录“/home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga”
#编译应用程序
#-arm-linux-gnueabihf-gcc -o timer timer.c main.c
feng:timer$ make install 
#拷贝模块文件
#cp -raf _drv.ko _dev.ko /home/feng/atomic/rootfs/home/drv
#cp -raf keyin.ko wq.ko timer.ko /home/feng/atomic/rootfs/lib/modules/4.1.15
cp -raf *.ko /home/feng/atomic/rootfs/lib/modules/4.1.15
#拷贝应用文件
#-cp -raf timer /home/feng/atomic/rootfs/home/app
feng:timer$ 

2、在目标机上执行modprobe命令加载模块。

注意：在模块加载之前，需要先调用depmod命令，生成模块依赖文件。

/ # depmod
/ # modprobe timer_drv.ko
timer class ok...
/ # the time is: 1 s..
the time is: 2 s..
the time is: 3 s..
the time is: 4 s..
the time is: 5 s..
the time is: 6 s..
the time is: 7 s..
the time is: 8 s..
the time is: 9 s..
the time is: 10 s..

3、在目标机上执行modprobe -r命令卸载模块。

/ # modprobe -r timer_drv.ko
/ # lsmod
Module                  Size  Used by    Tainted: G  
/ # 

4、综上、示例展示了定时器的应用，实现内核每秒打印时间提示信息。

往期 · 推荐

浅谈linux - 字符设备框架

帮你自动化办公的python-自动提取pdf指定页（项目概述）

也没想象中那么神秘的数据结构-一种通用化的双向链表设计（底层源码）

也没想象中那么神秘的数据结构-一环扣一环的“链表”（双向链表）

我用C语言玩对象，偷偷关注着你的观察者模式（基类设计）

关注

更多精彩内容，请关注微信公众号：不只会拍照的程序猿，本人致力分享linux、设计模式、C语言、嵌入式、编程相关知识，也会抽空分享些摄影相关内容，同样也分享大量摄影、编程相关视频和源码，另外你若想要本文章源码请关注公众号：不只会拍照的程序猿，后台回复：linux驱动源码。