原文：正点原子Linux驱动手册

Linux内核时间管理

系统时间管理需要一个硬件定时器提供时钟 ，通常这个定时器时通用的，有利于系统移植。
像UCOS 或 FreeRTOS 一般使用 Systick 作为系统时钟源（systick 是cortex-m 内核提供的定时器，芯片厂商在使用cortex-m内核制作芯片时为了通用性也会选择它作为芯片的硬件定时器）。

同样Linux 也需要一个定时器来驱动，Linux内核就是使用它来进行一系列的时间管理操作。（具体是什么不深究）

Linux 内核中有大量的函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序 、对于驱动编写来说最常用的是定时器。

节拍率（系统频率）

节拍率：系统每秒计数的节拍数。

硬件定时器提供时钟源，时钟源的频率可以设置， 设置好以后就周期性的产生定时中断，系统使用定时中断来计时。
中断周期性产生的频率就是系统频率，也叫做节拍率(tick rate)(有的资料也叫系统频率)，单位是 Hz。 比如 1000Hz， 100Hz 等等说的就是系统节拍率。
1000Hz 就是每秒钟产生1000次中断，100Hz就是每秒钟产生100次中断。
系统节拍率是可以设置的，我们在编译 Linux 内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率，按照如下路径打开配置界面：
-> Kernel Features -> Timer frequency (<choice> [=y])

设置好以后打开 Linux 内核源码根目录下的.config 文件中也可以发现配置后定义的系统节拍率：

Linux 内核会使用 CONFIG_HZ 来设置自己的系统时钟。打开文件 include/asm-generic/param.h，有如下内容：

6 # undef HZ
7 # define HZ CONFIG_HZ
8 # define USER_HZ 100
9 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)

节拍率大小的优劣

1. 当节拍率越大的时候，发生中断的次数就越多，时间精度也就越高如果采用 100Hz 的节拍率，时间精度就是 10ms（1秒钟内发生100次中断，一次中断的计时长度就是1s/100 = 10ms），采用1000Hz 的话时间精度就是 1ms，精度提高了 10 倍。
2. 高节拍率会导致中断的产生更加频繁，频繁的中断会加剧系统的负担， 1000Hz 和 100Hz的系统节拍率相比，系统要花费 10 倍的“精力”去处理中断。中断服务函数占用处理器的时间增加。

jiffies

Linux 内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数（jiffies/HZ 就代表系统启动时间），系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0。

jiffies 定义在文件 include/linux/jiffies.h 中，定义如下：

76 extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
77 extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

jiffies_64 和 jiffies 其实是同一个东西， jiffies_64 用于 64 位系统，而 jiffies 用于 32 位系统。为了兼容不同的硬件， jiffies 其实就是 jiffies_64 的低 32 位， jiffies_64 和 jiffies 的结构如图：

HZ 表示每秒的节拍数， jiffies 表示系统运行的 jiffies 节拍数，所以 jiffies/HZ 就是系统运行时间，单位为秒。

不管是 32 位还是 64 位的 jiffies，都有 溢出 的风险，溢出以后会重新从 0 开始计数，相当于绕回来了，因此有些资料也将这个现象也叫做绕回。

假如 HZ 为最大值 1000 的时候， 32 位的 jiffies 只需要 49.7 天就发生了绕回，对于 64 位的 jiffies 来说大概需要5.8 亿年才能绕回，因此 jiffies_64 的绕回忽略不计。

处理 32 位 jiffies 的绕回显得很重要，Linux 内核提供了如下 所示的几个 API 函数来处理绕回：

time_after(unkown, known)
time_before(unkown, known) 
time_after_eq(unkown, known)
time_before_eq(unkown, known)		//unkown 通常为 jiffies， known 通常是需要对比的值。

假如计时 1s 时间，可以将1s 换算成对应的节拍数，那么就可以对比 known（jiffies） 和unkown （jiffies + 1s 的节拍数），jiffies 表示当前的节拍数，jiffies + 1s节拍数就代表1s后的节拍数。
通常情况下unkown 肯定是大于known，所以当unkown 小于known 时就是绕回了。

如果 unkown 超过 known 的话， time_after 函数返回真，否则返回假。如果 unkown 没有超过 known 的话 time_before 函数返回真，否则返回假。 time_after_eq 函数和 time_after 函数类似。

利用这个特点我们可以用作代码里经常使用的超时 timeout。

为了方便开发， Linux 内核提供了几个 jiffies 和 ms、 us、 ns 之间的转换函数（时间单位与节拍数之间的转换）：

int jiffies_to_msecs(const unsigned long j)			//将 jiffies 类型的参数 j 分别转换为对应的毫秒、微秒、纳秒。
int jiffies_to_usecs(const unsigned long j) 
u64 jiffies_to_nsecs(const unsigned long j)

long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)			//将毫秒、微秒、纳秒转换为 jiffies 类型。
long usecs_to_jiffies(const unsigned int u) 
unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n)

Linux 定时器

1. 这里所说的 Linux定时器是软定时器， 基于系统节拍率 (HZ) 和 系统启动总节拍数 (jiffies) 实现。
2. jiffies 加上需要计时的时间对应的节拍数，当计时时间到达后，会进入 定时处理函数（跟中断处理函数功能相似，但是不是中断，软件定时器也不依赖中断实现）。

jiffes +（time*HZ）

3. Linux 软件定时器每次开启只能作一次计时，再次使用需要再次开启（可以在定时处理函数中开启）。

定时器API

既然是内核提供的定时器，自然由内核提供API。

Linux 内核使用 struct timer_list 描述一个定时器：

struct timer_list {
struct list_head entry;
unsigned long expires; /* 定时器超时时间，单位是节拍数（相当于我们的定时周期） */
struct tvec_base *base;
void (*function)(unsigned long); /* 定时处理函数 */
unsigned long data; /* 要传递给 function 函数的参数 */
int slack;
};

1、初始化定时器

初始化一个定时器：

void init_timer(struct timer_list *timer)

timer： 要初始化定时器。

上面这个函数类似于复位操作，我们还是需要对定时器做一些初始化，主要是对struct timer_list成员expires，function，data 的赋值，注意expires的单位是节拍数，可用上面的函数转化。

2、 add_timer 函数

add_timer 函数用于向 Linux 内核注册定时器，使用 add_timer 函数向内核注册定时器以后，定时器就会开始运行，函数原型如下：

void add_timer(struct timer_list *timer)

timer： 要注册的定时器。

3、del_timer

del_timer 函数用于删除一个定时器，不管定时器有没有被激活，都可以使用此函数删除。

在多处理器系统上，定时器可能会在其他的处理器上运行，因此在调用 del_timer 函数删除定时器之前要先等待其他处理器的定时处理器函数退出。

int del_timer(struct timer_list * timer)

返回值： 0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活。

del_timer_sync 函数

del_timer_sync 函数是 del_timer 函数的同步版，会等待其他处理器使用完定时器再删除，del_timer_sync 不能使用在中断上下文中。

int del_timer_sync(struct timer_list *timer)

返回值： 0，定时器还没被激活； 1，定时器已经激活。

4、mod_timer 函数

mod_timer 函数用于修改定时值，如果定时器还没有激活的话， mod_timer 函数会激活定时器！ 可将此函数在定时处理中调用，就能循环定时。

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)

timer： 要修改超时时间(定时值)的定时器。
expires： 修改后的超时时间。
返回值： 0，调用 mod_timer 函数前定时器未被激活； 1，调用 mod_timer 函数前定时器已被激活。

定时器示例程序

1 struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
2 
3/* 定时器回调函数 */
4 void function(unsigned long arg)
5 {
6 /*
7 * 定时器处理代码
8 */
9
10 /* 如果需要定时器周期性运行的话就使用 mod_timer
11 * 函数重新设置超时值并且启动定时器。
12 */
13 mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
14 }
15
16 /* 初始化函数 */
17 void init(void)
18 {
19 init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
20
21 timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
22 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间 2 秒 */
23 timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */
24
25 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
26 }

Linux内核短暂延时函数

有时候我们需要在内核中实现短延时，尤其是在 Linux 驱动中。 Linux 内核提供了毫秒、微
秒和纳秒延时函数，这三个函数如下所示：

void ndelay(unsigned long nsecs)	/*纳秒、微秒和毫秒延时函数。*/
void udelay(unsigned long usecs) 	
void mdelay(unsigned long mseces)

最后

以上就是坚强盼望为你收集整理的Linux定时器Linux内核时间管理的全部内容，希望文章能够帮你解决Linux定时器Linux内核时间管理所遇到的程序开发问题。

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