S5P6818_驱动篇（15）内核定时器

定时器是我们最常用到的功能，一般用来完成定时功能，本章我们就来学习一下 Linux 内核提供的定时器 API 函数，通过这些定时器 API 函数我们可以完成很多要求定时的应用。 Linux内核也提供了短延时函数，比如微秒、纳秒、毫秒延时函数，本章我们就来学习一下这些和时间有关的功能。

内核时间管理

学习过 UCOS 或 FreeRTOS 的同学应该知道， UCOS 或 FreeRTOS 是需要一个硬件定时器提供系统时钟，一般使用 Systick 作为系统时钟源。同理， Linux 要运行，也是需要一个系统时钟的。对于ARM-A架构处理器运行Linux系统时的情况，以下为关键点分析：
ARM Generic Timer的存在
ARM-A架构（如Cortex-A系列，基于ARMv7及以上版本）内置了Generic Timer，这是处理器硬件的一部分。该定时器为系统提供了高精度的计时功能，支持虚拟化和非虚拟化环境，可直接被Linux内核调用。Linux内核已原生支持ARM Generic Timer，无需额外硬件定时器。启动时，内核通过设备树（Device Tree）或ACPI自动探测并初始化该定时器，作为默认的时钟（arch_sys_counter）。
ARM-A架构处理器（ARMv7/ARMv8）无需额外硬件定时器，其内置的Generic Timer已由Linux内核直接支持。开发时只需确保内核配置启用CONFIG_ARM_ARCH_TIMER选项（默认开启），无需硬件层面的特殊处理。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、对于我们驱动编写者来说最常用的定时器。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)，比如 1000Hz， 100Hz 等等说的就是系统节拍率。系统节拍率是可以设置的，单位是 Hz，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])

该选择对应配置CONFIG_HZ 为 100， 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：

# undef HZ
# define HZ		CONFIG_HZ	/* Internal kernel timer frequency */
# define USER_HZ	100		/* some user interfaces are */
# define CLOCKS_PER_SEC	(USER_HZ)       /* in "ticks" like times() */
#endif /* __ASM_GENERIC_PARAM_H */

定义了一个宏 HZ，宏 HZ 就是 CONFIG_HZ，因此 HZ=100，我们后面编写 Linux驱动的时候会常常用到 HZ，因为 HZ 表示一秒的节拍数，也就是频率。大多数初学者看到系统节拍率默认为 100Hz 的时候都会有疑问，怎么这么小？ 100Hz 是可选的节拍率里面最小的。为什么不选择大一点的呢？这里就引出了一个问题：高节拍率和低节拍率的优缺点：
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 1ms，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，但是现在的处理器性能都很强大，所以采用 1000Hz 的系统节拍率并不会增加太大的负载压力。根据自己的实际情况，选择合适的系统节拍率。

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 __cacheline_aligned_in_smp jiffies_64;
extern unsigned long volatile __cacheline_aligned_in_smp __jiffy_arch_data jiffies;

定义了一个 64 位的 jiffies_64。
定义了一个 unsigned long 类型的 32 位的 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 的结构如图所示：

当我们访问 jiffies 的时候其实访问的是 jiffies_64 的低 32 位，使用 get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值。在 32 位的系统上读取 jiffies 的值，在 64 位的系统上 jiffes 和 jiffies_64
表示同一个变量，因此也可以直接读取 jiffies 的值。所以不管是 32 位的系统还是 64 位系统，都可以使用 jiffies。前面说了 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 的绕回显得尤为重要，Linux 内核提供了如表所示的几个 API 函数来处理绕回。

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

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，
只是多了判断等于这个条件。同理， time_before_eq 函数和 time_before 函数也类似。比如我们要判断某段代码执行时间有没有超时，此时就可以使用如下所示代码：

unsigned long timeout;
timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 *//* 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，比如我们要判断代码执行时间是不是超过了 2 秒，那么超时时间点就是 jiffies+(2*HZ)，如果 jiffies 大于 timeout 那就表示超时了，否则就是没有超时。通过函数 time_before 来判断 jiffies 是否小于 timeout，如果小于的话就表示没有超时。
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，如表所示：

函数	描述
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)

内核定时器

定时器是一个很常用的功能，需要周期性处理的工作都要用到定时器。 Linux 内核定时器采用系统时钟来实现。 Linux 内核定时器使用很简单，只需要提供超时时间(相当于定时值)和定时处理函数即可，当超时时间到了以后设置的定时处理函数就会执行，和我们使用硬件定时器的套路一样，只是使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。在使用内核定时器的时候要注意一点，内核定时器并不是周期性运行的，超时以后就会自动关闭，因此如果想要实现周期性定时，那么就需要在定时处理函数中重新开启定时器。 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 {/** All fields that change during normal runtime grouped to the* same cacheline*/struct hlist_node	entry;unsigned long		expires;void			(*function)(unsigned long);unsigned long		data;u32			flags;int			slack;#ifdef CONFIG_TIMER_STATSint			start_pid;void			*start_site;char			start_comm[16];
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEPstruct lockdep_map	lockdep_map;
#endif
};

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。比如我们现在需要定义一个周期为 2 秒的定时器，那么这个定时器的超时时间就是 jiffies+(2*HZ)，因此 expires=jiffies+(2*HZ)。 function 就是定时器超时以后的定时处理函数，我们要做的工作就放到这个函数里面，需要我们编写这个定时处理函数。定义好定时器以后还需要通过一系列的 API 函数来初始化此定时器，这些函数如下：

init_timer 函数

init_timer 函数负责初始化 timer_list 类型变量，当我们定义了一个 timer_list 变量以后一定要先用 init_timer 初始化一下。 init_timer 函数原型如下：

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。

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)

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。

del_timer 函数

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。 del_timer 函数原型如下：

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_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。 del_timer_sync 函数原型如下所示：

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。

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！函数原型如下：

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。

Linux 内核短延时函数

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，这三个函数如表所示：

函数	描述
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)

实验

struct timer_list my_timer;void callback(struct timer_list *t) {// 定时处理逻辑mod_timer(t, jiffies + msecs_to_jiffies(100)); // 重新激活
}init_timer(&my_timer);
my_timer.function = callback;
my_timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(1000);
add_timer(&my_timer);