内核中时间相关的知识介绍

1、内核要解决的时间相关问题

(1)如何度量时间差，如何比较时间；
(2)如何获取当前时间；
(3)如何将操作延迟指定的一段时间；
(4)如何调度异步函数到指定的时间之后执行；

2、度量时间差

2.1、内核度量时间的原理

(1)Soc有时间相关的硬件，比如定时器、RTC等，其中就有计数器，就是每隔一段时间计数器的值就加一。计数器的值保存在
寄存器中，内核可以通过读取寄存器知道计数器的值；
(2)计数器的值增加的周期长短是可以计算得到的，和时钟频率有关。比如时钟频率是1000hz，则每1ms计数器的值加一。
(3)知道计数器的值和计数器值增加的时间间隔，就可以计算经过了多长的时间。比如计数器的值增加了1000，则经过的时间就是1000*1ms=1s；
(4)Soc自带的时钟模块可能计算不够精确，有时候需要外接时钟芯片；
参考博客：《ARM芯片开发（S5PV210芯片）——定时器、看门狗、RTC》；

2.2、内核的宏定义：HZ

(1)系统时钟中断由系统定时硬件以周期性的间隔产生，这个间隔在内核中就是根据HZ的值来指定；
(2)HZ在内核中是个宏定义，表示内核中每秒发生多少次时钟中断，HZ的值和平台有关；
(3)假设HZ的值是100，则表示每10ms内核的计数器的值就加一；
(4)一般是不修改HZ值，内核开发中已经为我们选择了合适的HZ值，我们只需要使用HZ值；理论上HZ的值越大，计数器增加的周期就越短，我们就能获取更准确的时间，但是增加时钟中断频率会带来额外的开销，需要在二者中取平衡。

2.3、jiffies计数器

(1)内核中有两个计数器jiffies和jiffies_64。jiffies_64是64位的(即使在32位架构上也是64位)，jiffies是unsigned long型变量，在64位架构中是64位，在32位架构中是32位。64位架构中，jiffies和jiffies_64相同，在32位架构中，jiffies是jiffies_64的低32位；
(2)通常首选使用jiffies，因为对jiffies的访问很快；
(3)jiffies的值在系统启动时被初始化为0，每次当时钟中断发生时，jiffies计数器的值就加一。所以jiffies计数器的值表示自系统启动以来，发生了多少次时钟中断。

2.4、HZ和jiffies计数器的关系

(1)HZ表示每秒发生多少次时钟中断，jiffies记录了系统启动后发生的中断次数；
(2)系统启动经过的时间=jiffies / HZ;
(3)计算时间差=(jiffies1-jiffies2) / HZ;

2.5、比较两个jiffies值的函数

int time_after(unsigned long jiffies1, unsigned long jiffies2);			//jiffies1代表的时间比jiffies2靠后，则返回真
int time_before(unsigned long jiffies1, unsigned long jiffies2);		//jiffies1代表的时间比jiffies2靠前，则返回真
int time_after_eq(unsigned long jiffies1, unsigned long jiffies2);		//jiffies1代表的时间比jiffies2靠后或相等，则返回真
int time_before_eq(unsigned long jiffies1, unsigned long jiffies2);		//jiffies1代表的时间比jiffies2靠前或相等，则返回真

2.6、处理器特定寄存器

(1)有时候需要特别高的时间精度，有的处理器在硬件上做了针对性的设计，提供专门的时间计数器寄存器，这是和具体处理器关联的，没有通用性；
(2)比如：在X86架构的处理器中就有TSC(timestamp counter，时间戳计数器)寄存器，是一个64位的寄存器，记录CPU时钟周期数；

2.7、jiffies和struct timespes、struct timeval结构体转换函数

unsigned long timeval_to_jiffies(const struct timeval *value);
void jiffies_to_timeval(const unsigned long jiffies, struct timeval *value);
unsigned long timespec_to_jiffies(const struct timespec *value);
void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies,  struct timespec *value);

3、获取当前时间

//获取系统当前时间
do_gettimeofday(struct timeval * tv);

//将墙钟时间转换为jiffies
static inline unsigned long mktime(const unsigned int year,
			const unsigned int mon, const unsigned int day,
			const unsigned int hour, const unsigned int min,
			const unsigned int sec);

(1)墙钟时间：指日常生活使用的时间，用年月日时分秒来表达；
(2)在驱动程序中，一般是不需要墙钟时间的，大部分都是计算时间差，在上层应用中墙钟时间用的较多；
(3)内核中提供了获取当前时间戳的函数：do_gettimeofday()函数，用法和C库的gettimeofday是一样的；
(4)内核还提供了墙钟时间转换为jiffies的函数；

4、延时操作

4.1、延时操作思路介绍

(1)设备驱动程序中经常需要将某些特定代码延迟一段时间后执行，比如操作a需要等到操作b执行完成；
(2)实现延时操作有两种思路：忙等待和让出处理器；
(3)忙等待：在延时的这段时间内仍然占据CPU，直到满足延迟的时间，这种适合短延时，比较切换进程也是要开销的；
(4)让出处理器：在延时时间内让出处理器，等延迟时间到了再被调度，适合长延时；

4.2、等待队列

参考博客：《进程的休眠与唤醒(等待队列)》；

4.3、短延时——忙等待

//延时函数，三个延迟函数都是忙等待函数，因而在延迟过程中无法运行其他任务
void ndelay(unsigned long nsecs);
void udelay(unsigned long usecs);
void mdelay(unsigned long msecs);

4.4、短延时——让出处理器

//延时msecs毫秒
void msleep(unsigned int msecs);
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs)

//延时seconds秒
void ssleep(unsigned int seconds)

5、内核定时器

5.1、定时器介绍

(1)我们需要在某个时间点调度执行某个动作，同时在该时间点到达之前不会阻塞当前进程，则可以使用内核定时器；内核定时器是利用中断来实现的，在到达指定时间点后发生中断，执行注册的函数；
(2)定时器的管理必须尽可能做到轻量级；
(3)其设计必须在活动定时器大量增加时具有很好的伸缩性；
(4)大部分定时器会在最多几秒或者几分钟内到期，而很少存在长期延迟的定时器；
(5)定时器应该在注册它的同一CPU上运行；

5.2、struct timer_list结构体

struct timer_list {
    
	struct hlist_node	entry;
	unsigned long		expires;	//预期定时器执行的jiffies值
	void			(*function)(unsigned long);	//绑定的执行函数
	unsigned long		data;	//传给执行函数的参数
	u32			flags;
};

struct timer_list结构体在内核中描述定时器，在到达expires指定的jiffies值时，执行function函数，并把data作为传参传给function函数；

5.3、定时器工作的逻辑流程

(1)构建定时器：初始化struct timer_list结构体，绑定执行函数、传参，设置定时的时间，有专门的初始化函数；
(2)将构建好的定时器向内核注册；
(3)到达设置的定时时间，调用注册函数；
(4)在注册函数中再次向内核注册该定时器；
(5)定时器重新开始计时，相当于从第二步开始循环执行；

5.4、示例代码

/* 实现每隔一秒向内核log中打印一条信息 */
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/timer.h>

static struct timer_list tm;
struct timeval oldtv;

void callback(unsigned long arg)
{
    
    struct timeval tv;
    char *strp = (char*)arg;
    
    printk("%s: %lu, %s\n", __func__, jiffies, strp);

    do_gettimeofday(&tv);
    printk("%s: %ld, %ld\n", __func__,
        tv.tv_sec - oldtv.tv_sec,        //与上次中断间隔 s
        tv.tv_usec- oldtv.tv_usec);        //与上次中断间隔 ms
    

    oldtv = tv;
    tm.expires = jiffies+1*HZ;    
    add_timer(&tm);        //再次注册定时器，重新开始计时 
}

static int __init demo_init(void)
{
    
    printk(KERN_INFO "%s : %s : %d - ok.\n", __FILE__, __func__, __LINE__);

    init_timer(&tm);    //初始化内核定时器

    do_gettimeofday(&oldtv);        //获取当前时间
    tm.function= callback;            //指定定时时间到后的回调函数
    tm.data    = (unsigned long)"hello world";        //回调函数的参数
    tm.expires = jiffies+1*HZ;        //定时时间为1s
    add_timer(&tm);        //注册定时器

    return 0;
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    
    printk(KERN_INFO "%s : %s : %d - ok.\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
    del_timer(&tm);        //注销定时器
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("yikoupeng");
MODULE_DESCRIPTION("timerlist");

上面的代码摘抄自《一口linux》；

tasklet机制和工作队列

参考博客：《中断的顶半部和底半部介绍以及实现方式(tasklet 和 工作队列)》；