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Linux（驱动中）时间管理和内核定时器（学习总结）

news 来源：原创 2024/9/20 5:33:25

在Linux内核中，时间管理和内核定时是非常重要的功能，用于实现定时任务、延时操作和周期性事件处理等。内核提供了多种机制来处理时间相关的任务，包括软件定时器（software timers）、硬件定时器（hardware timers）、定时函数（timer functions）等。

一、时间管理

Linux内核中的时间管理主要涉及到系统时间的获取、更新和同步，以及提供精确的延时和调度功能。时间管理主要由以下几个部分组成：

实时时钟（RTC）：
- RTC是硬件设备，用于在系统关机时保持时间信息。
- 它通过CMOS电池供电，确保在系统重启后能够恢复上一次的系统时间。
- 内核在启动时读取RTC中的时间信息来初始化系统时间。
系统定时器：
- 系统定时器是内核中用于产生时钟中断的硬件设备或软件模拟设备。
- 它以固定的频率（节拍率，Hz）产生中断，内核在中断处理程序中更新系统时间并执行与时间相关的任务。
全局变量jiffies：
- jiffies是内核中用于记录自系统启动以来时钟中断次数的全局变量。
- 它以无符号长整数形式存储，每次时钟中断发生时增加1。
- jiffies的值可以用于计算系统已经运行的时间（通过jiffies / HZ得到秒数）。
时间同步：
- 为了确保系统时间的准确性，Linux提供了网络时间协议（NTP）来与其他时间服务器同步时间。
- NTP客户端会定期向NTP服务器发送请求，并根据服务器的响应调整系统时间。

二、内核定时器

在 Linux 内核中，定时器机制是一个非常重要的功能，用于在特定时间后执行某些任务或周期性地执行任务。与裸机编程中直接操作硬件定时器不同，Linux 内核提供了一套更为抽象和易用的定时器接口。

软件定时器

Linux 内核定时器是基于系统时钟实现的，而不是直接基于硬件定时器如 PIT（Programmable Interval Timer）等。内核定时器的使用相对简单，开发者只需提供超时时间和定时处理函数即可。当超时时间到达时，内核会自动调用设置的定时处理函数。

在 Linux 内核中，timer_list 结构体（在较新的内核版本中，通常使用 struct timer_list）用于表示一个内核定时器。这个结构体定义在内核源码的某个头文件中，通常是 <linux/timer.h>。

以下是 struct timer_list 结构体的大致定义（具体定义可能因内核版本而异）：

struct timer_list {  /* ... 其他成员变量 ... */  struct list_head entry;    /* 定时器链表入口 */  unsigned long expires;     /* 定时器超时时间（以 jiffies 为单位）*/  void (*function)(unsigned long); /* 定时器处理函数 */  unsigned long data;        /* 传递给处理函数的数据 */  /* ... 可能还有其他成员变量，如定时器状态、回调参数等 ... */  
};

主要API函数：

TIMER_INITIALIZER(name, function, expires, data)：宏定义，用于静态初始化定时器。
INIT_TIMER(&timer)：函数，用于动态初始化定时器。
del_timer_sync(&timer)：删除并同步定时器，确保定时器不再被执行。
del_timer(&timer)：删除定时器，但不等待定时器完成。
add_timer(&timer)：添加定时器，使其在指定时间后启动。
mod_timer(&timer, expires)：修改定时器的过期时间。
timer_setup(&timer, function, expires)：设置定时器回调函数和过期时间。

使用内核定时器的步骤：
- 定义timer_list结构体变量。
- 使用init_timer函数初始化定时器。
- 设置定时器的到期时间（通过expires成员）和处理函数（通过function成员）。
- 使用add_timer函数将定时器添加到内核中并启动它。
- 如果需要，可以使用mod_timer函数修改定时器的到期时间。
- 当不再需要定时器时，使用del_timer函数从内核中删除它。

示例：

#include <linux/timer.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>static struct timer_list my_timer;static unsigned int interval = 1;  // 定时器间隔，单位为秒static void timer_callback(unsigned long data)
{printk(KERN_INFO "Timer expired!\n");// 在这里执行定时任务mod_timer(&my_timer, jiffies + interval * HZ);
}static int __init timer_example_init(void)
{printk(KERN_INFO "Timer example module loaded.\n");// 初始化定时器INIT_TIMER(&my_timer);my_timer.function = timer_callback;my_timer.expires = jiffies + interval * HZ;my_timer.data = 0;// 添加定时器add_timer(&my_timer);return 0;
}static void __exit timer_example_exit(void)
{del_timer_sync(&my_timer);  // 删除并同步定时器printk(KERN_INFO "Timer example module unloaded.\n");
}module_init(timer_example_init);
module_exit(timer_example_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

硬件定时器：

硬件定时器通常由硬件提供支持，例如ARM平台上的RTC（实时时钟）。硬件定时器可以提供更精确的定时服务，并且通常独立于操作系统的工作。

示例：

#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>struct hrtimer my_hrtimer;static unsigned int interval_ns = 1000000000;  // 定时器间隔，单位为纳秒static enum hrtimer_restart hrtimer_callback(struct hrtimer *hrt)
{printk(KERN_INFO "High-resolution timer expired!\n");// 在这里执行定时任务hrtimer_forward(&my_hrtimer, hrt_get_base_now(), ns_to_ktime(interval_ns));return HRTIMER_RESTART;
}static int __init hrtimer_example_init(void)
{printk(KERN_INFO "High-resolution timer example module loaded.\n");// 初始化高分辨率定时器INIT_HRTIMER(&my_hrtimer);my_hrtimer.function = hrtimer_callback;// 启动定时器hrtimer_start(&my_hrtimer, ns_to_ktime(interval_ns), HRTIMER_MODE_RELATIVE);return 0;
}static void __exit hrtimer_example_exit(void)
{hrtimer_cancel(&my_hrtimer);  // 取消定时器printk(KERN_INFO "High-resolution timer example module unloaded.\n");
}module_init(hrtimer_example_init);
module_exit(hrtimer_example_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

除了上述的软件定时器和硬件定时器外，Linux内核还提供了一些辅助函数来处理定时任务，如delay()系列函数和schedule_timeout()函数。

延迟函数：

msleep(msec)：休眠指定的毫秒数。
usleep(usec)：休眠指定的微秒数。
mdelay(msec)：延迟指定的毫秒数。
udelay(usec)：延迟指定的微秒数。

示例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>static void delay_example(void)
{printk(KERN_INFO "Before delay.\n");msleep(1000);  // 延迟1秒printk(KERN_INFO "After delay.\n");
}static int __init delay_example_init(void)
{printk(KERN_INFO "Delay example module loaded.\n");delay_example();return 0;
}static void __exit delay_example_exit(void)
{printk(KERN_INFO "Delay example module unloaded.\n");
}module_init(delay_example_init);
module_exit(delay_example_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

定时等待函数：

schedule_timeout(timeout)：等待指定的时间后调度其他任务。
schedule_timeout_uninterruptible(timeout)：不可中断地等待指定的时间后调度其他任务。

示例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/sched.h>static void timeout_example(void)
{printk(KERN_INFO "Before timeout.\n");schedule_timeout(1 * HZ);  // 延迟1秒printk(KERN_INFO "After timeout.\n");
}static int __init timeout_example_init(void)
{printk(KERN_INFO "Timeout example module loaded.\n");timeout_example();return 0;
}static void __exit timeout_example_exit(void)
{printk(KERN_INFO "Timeout example module unloaded.\n");
}module_init(timeout_example_init);
module_exit(timeout_example_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");