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Linux内核使用全局变量jiffies来记录系统的优点和缺点?

2022年12月13日 288点热度

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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、对于驱动编写者来说最常用的就是定时器。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)。

Liunx系统的节拍率可以在编译Linux内核的时候通过图形化界面设置。路径如下:通过make configuration命令可以进行图形化配置。

-> Kernel Features

-> Timer frequency ( [=y])

如图所示可以选配的节拍率有100Hz、200Hz等等。Linux系统默认使用100Hz。选择高系统节拍率的优点和缺点:

①高节拍率会提高系统时间精度,如果采用 100Hz 的节拍率,时间精度就是 10ms,采用

1000Hz 的话时间精度就是 1mslinux内核定时器综述,精度提高了 10 倍。高精度时钟的好处有很多,对于那些对时

间要求严格的函数来说,能够以更高的精度运行,时间测量也更加准确。

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。

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,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:

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

其中jiffies_64用于64为系统,jiffies用于32位系统。为了硬件的兼容性他们的关系如下:

linux内核定时器综述_程序定时关闭器_linux内核设计的艺术图解linux操作系统架构设与实现原

其实读取jiffies变量也就是读取jiffies_64的低32位。jiffies表示系统运行的节拍数,而系统每过1s就会增加设置的节拍数,因此系统运行时间就是jiffies/节拍数。Linux提供了以下几个函数来判断绕回:

linux内核设计的艺术图解linux操作系统架构设与实现原_linux内核定时器综述_程序定时关闭器

time_after:当unkown超过known的时候函数返回值为真。 timer_before:当unkown未超过known的时候函数返回值为真。

timer_after_eq(unkown,known):当unkown等于known的时候函数返回值为真。

timer_before_eq(unkown,known):当unkown不等于known的时候函数返回值为真。

比如要判断某段代码运行时间有没有超过2s,代码如下:

unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
/*************************************
 具体的代码
************************************/
/* 判断有没有超时 */
if(time_before(jiffies, timeout)) {
/* 超时未发生 */
} 
else {
/* 超时发生 */
}

timeout 就是超时时间点等于jiffies + 2*HZ。如果 jiffies 大于 timeout 那就表示超时了,否则就是没有超时。同时为了方便驱动开发,Linux提供了jiffies和 ms、us等转换函数:

linux内核设计的艺术图解linux操作系统架构设与实现原_程序定时关闭器_linux内核定时器综述

一、内核定时器

Linux 内核定时器采用系统时钟来实现,与硬件定时器功能一样linux手机软件,当超时时间到了以后设

置的定时处理函数就会执行。内核定时器不需要一大堆寄存器的配置工作,并且内核定时器执行完超时处理函数以后就会自动关闭。若需要周期运行,则需要在处理函数中再次打开内核定时器。

内核定时器和硬件定时器共同点:

① 超时时间到了以后,会执行处理函数

不同点:

① 内核定时器不需要配置寄存器,硬件定时器需要配置对应寄存器。

② 内核定时器只执行一次处理函数,若需要周期执行,需要在处理函数中再次打开。硬件定时器会周期执行处理函数。

Linux 内核使用 timer_list 结构体表示内核定时器, timer_list 定义在文件include/linux/timer.h 中,定义如下:

struct timer_list {
    struct list_head entry;
    unsigned long expires; /* 定时器超时时间,单位是节拍数 */
    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;
};

要使用内核定时器首先要先定义一个 timer_list 变量,表示定时器, tiemr_list 结构体的expires 成员变量表示超时时间,单位为节拍数。

二、内核定时器API函数 1、init_timer 函数

void init_timer(struct timer_list *timer)

函数参数和返回值含义如下:

timer:要初始化定时器。

返回值: 没有返回值

init_timer 函数负责初始化 timer_list 类型变量,当定义完timer_list结构体以后,需要使用此函数进行初始化。

2、add_timer 函数

void add_timer(struct timer_list *timer)

函数参数和返回值含义如下:

timer:要注册的定时器。

返回值: 没有返回值。

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。

3、del_timer 函数

int del_timer(struct timer_list * timer)

函数参数和返回值含义如下:

timer:要删除的定时器。

返回值: 0,定时器还没被激活; 1,定时器已经激活。

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

4、del_timer_sync 函数

int del_timer_sync(struct timer_list *timer)

函数参数和返回值含义如下:

timer:要删除的定时器。

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,

5、mod_timer 函数

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

函数参数和返回值含义如下:

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

mod_timer 函数用于修改定时值linux内核定时器综述,如果定时器还没有激活的话, mod_timer 函数会激活定时

器,通常使用此函数达到定时器周期循环的目的。

三、内核定时器使用框架

如下图所示是一个周期性定式循环框架。

 struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
/* 定时器回调函数 */
void function(unsigned long arg){
/*
* 定时器处理代码
*/
 /* 如果需要定时器周期性运行的话就使用 mod_timer
 * 函数重新设置超时值并且启动定时器。
 */
 mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
 }
 /* 初始化函数 */
void init(void){
 init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
 timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间 2 秒 */
 timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */
 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
}
 /* 退出函数 */
 void exit(void){
 del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
 /* 或者使用 */
 del_timer_sync(&timer);
}

四、定时器实验代码

linux内核设计的艺术图解linux操作系统架构设与实现原_程序定时关闭器_linux内核定时器综述

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define TIMER_COUNT 1
#define TIMER_NAME "timer"
#define CLOSE_CMD   _IO(0XEF, 1)    /*关闭命令*/
#define OPEN_CMD    _IO(0XEF, 2)    /*打开命令*/
#define SETPERIOD_CMD   _IOW(0XEF, 3, int) /*设置周期命令*/
/*设备结构体*/
struct timer_dev{
    dev_t devid;    /*设备号*/
    int major;  /*主设备号*/
    int minor;  /*次设备号*/
    struct cdev cdev;   /*字符设备*/
    struct class *class;    /*创建类*/
    struct device *device;  /*创建设备*/
    struct device_node *node; /*设备节点*/
    int led_gpio;   /*led号*/
    int timerperiod; /*周期时间*/
    struct timer_list timer; /*定时器*/
    spinlock_t lock; /* 定义自旋锁 */
};
struct timer_dev timer;
static int timer_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    filp->private_data = &timer; /* 设置私有数据 */
    return 0;
}
 
static long timer_ioctl(struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned long arg){
    int ret = 0;
    int value = 0;
    struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)filp->private_data;
    switch(cmd) {
    case CLOSE_CMD:
        del_timer_sync(&dev->timer);
        break;
    case OPEN_CMD:
        mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod));

linux内核定时器综述_程序定时关闭器_linux内核设计的艺术图解linux操作系统架构设与实现原

break; case SETPERIOD_CMD: ret = copy_from_user(&value, (int *)arg, sizeof(int)); if(ret timerperiod = value; mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod)); break; } return ret; } static int timer_release(struct inode *inode, struct file *filp){ return 0; } static const struct file_operations timer_fops = { /*字符设备操作函数集合*/ .owner = THIS_MODULE, .unlocked_ioctl = timer_ioctl, .open = timer_open, .release = timer_release, }; /*定时器超市处理函数*/ static void timer_func(unsigned long arg) { struct timer_dev *dev = (struct timer_dev*)arg; static int sta = 1; unsigned long flags; sta = !sta; spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); gpio_set_value(dev->led_gpio, sta); spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags); mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod)); } /*初始化LED灯*/ int led_init(struct timer_dev *dev){ int ret = 0; /*获取设备节点*/ dev->node = of_find_node_by_path("/gpioled"); if(dev->node == NULL){ /*寻找节点失败*/ ret = -EINVAL; goto failed_findnode; } /*获取led所对应的gpio*/ dev->led_gpio = of_get_named_gpio(dev->node, "led-gpios", 0); if(dev->led_gpio led_gpio);

/*申请gpio*/ ret = gpio_request(dev->led_gpio, "led-gpios"); if(ret){ printk("Failed to request gpio rn"); ret = -EINVAL; goto failed_findnode; } /*使用IO,申请为输出*/ ret = gpio_direction_output(dev->led_gpio, 1); /*设置为输出,高电平不点亮*/ if(ret led_gpio); failed_findnode: device_destroy(dev->class, dev->devid); return ret; } /*入口函数*/ static int __init timer_init(void){ int ret = 0; /* 初始化自旋锁 */ spin_lock_init(&timer.lock); /*注册字符设备*/ timer.major = 0; /*内核自动申请设备号*/ if(timer.major){ /*如果定义了设备号*/ timer.devid = MKDEV(timer.major, 0); ret = register_chrdev_region(timer.devid, TIMER_COUNT, TIMER_NAME); } else{ /*否则自动申请设备号*/ ret = alloc_chrdev_region(&timer.devid, 0, TIMER_COUNT, TIMER_NAME); timer.major = MAJOR(timer.devid); /*保存主设备号*/ timer.minor = MINOR(timer.devid); /*保存次设备号*/ } if(ret < 0){ goto failed_devid; } printk("timerdev major = %d minor = %d rn",timer.major,timer.minor); /*打印主次设备号*/ /*添加字符设备*/ timer.cdev.owner = THIS_MODULE; cdev_init(&timer.cdev, &timer_fops); ret = cdev_add(&timer.cdev, timer.devid, TIMER_COUNT); if(ret < 0){ /*添加字符设备失败*/ goto failed_cdev; } /*自动添加设备节点*/ /*创建类*/ timer.class = class_create(THIS_MODULE, TIMER_NAME); /*class_creat(owner,name);*/ if(IS_ERR(timer.class)){ /*判断是否创建类成功*/ ret = PTR_ERR(timer.class);

linux内核设计的艺术图解linux操作系统架构设与实现原_程序定时关闭器_linux内核定时器综述

goto failed_class; } /*创建设备*/ timer.device = device_create(timer.class, NULL, timer.devid, NULL, TIMER_NAME); if(IS_ERR(timer.device)){ /*判断是否创建类成功*/ ret = PTR_ERR(timer.device); goto failed_device; } /*初始化led*/ ret = led_init(&timer); if(ret < 0){ goto failed_ledinit; } /*初始化定时器*/ init_timer(&timer.timer); timer.timerperiod = 500; timer.timer.function = timer_func; /*定时器超时处理函数*/ timer.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(timer.timerperiod);/*超时时间*/ timer.timer.data = (unsigned long)&timer; /*将指针变量强制转化为unsigned long类型*/ add_timer(&timer.timer); /*添加定时器*/ return 0; failed_ledinit: failed_device: class_destroy(timer.class); failed_class: cdev_del(&timer.cdev); failed_cdev: unregister_chrdev_region(timer.devid, TIMER_COUNT); failed_devid: return ret; } /*出口函数*/ static void __exit timer_exit(void){ /*删除定时器*/ del_timer(&timer.timer); gpio_free(timer.led_gpio); /*注销字符设备*/ cdev_del(&timer.cdev); /*卸载设备*/ unregister_chrdev_region(timer.devid, TIMER_COUNT); device_destroy(timer.class, timer.devid); class_destroy(timer.class); } /*模块入口和出口*/ module_init(timer_init); module_exit(timer_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("ZYC");

本作品采用 知识共享署名 4.0 国际许可协议 进行许可
标签: linux定时器 linux系统 定时器 返回值
最后更新:2022年12月13日

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