linux内核定时器

🕗 发布于 2024-07-07 19:05 linux 嵌入式驱动开发

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一、jiffies定时器
二、高精度定时器

一、jiffies定时器

传统定时器（基于jiffies）是Linux内核中最早和最基本的定时机制。jiffies是一个全局变量，它记录了自系统启动以来的“滴答数”（ticks）。每次时钟中断发生时，jiffies会增加。这个机制基于系统时钟中断的频率，因此其精度受到时钟频率的限制。

1.1 工作原理

时钟中断：
时钟中断是一个固定频率的周期性中断事件，每次时钟中断发生时，内核会增加jiffies的值；
时钟频率通常由宏HZ定义，比如HZ=1000表示每秒发生1000次时钟中断（每毫秒一次）；
jiffies变量：
jiffies是一个全局变量，用于记录自系统启动以来的时钟中断次数；
在每次时钟中断处理过程中，内核会增加jiffies的值；

1.2 timer_list结构体

传统定时器使用struct timer_list结构体来定义和管理定时器任务。

struct timer_list {
    struct hlist_node entry;
    unsigned long expires; // 定时器到期的jiffies值
    void (*function)(unsigned long); // 定时器回调函数
    unsigned long data; // 回调函数参数
};

1.3 相关接口

定时器相关接口定义在kernel\time\timer.c文件中。主要流程涉及以下接口。

1.3.1 初始化和启动定时器

使用add_timer接口启动定时器，参数是timer_list ：

void add_timer(struct timer_list *timer)

代码示例：

#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

static struct timer_list my_timer;

void my_timer_callback(unsigned long data)
{
    printk(KERN_INFO "Timer callback function called with data: %lu\n", data);
}

void setup_timer(void)
{
    // 初始化定时器
    init_timer(&my_timer);
    my_timer.function = my_timer_callback;
    my_timer.data = 0; // 回调函数参数
    my_timer.expires = jiffies + HZ; // 1秒后到期

    // 添加定时器到内核
    add_timer(&my_timer);
}

类似的接口还有add_timer_on，该接口功能是在指定的cpu上启动一个定时器：

void add_timer_on(struct timer_list *timer, int cpu)

1.3.2 修改定时器

使用mod_timer接口修改定时器的超时时间：

void my_timer_callback(unsigned long data)
{
    printk(KERN_INFO "Timer callback function called with data: %lu\n", data);
    // 如果需要周期性定时器, 使用mod_timer修改定时器超时时间
mod_timer(&my_timer, jiffies + msecs_to_jiffies(500));
}

在上述定时器回调接口my_timer_callback中，调用mod_timer修改定时器的超时时间为500ms，这样能给实现每隔500ms循环调用定时器超时回调接口。
mod_timer接口的功能相当于del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer);，即删除定时器、设置定时器超时时间、启动定时器。

1.3.3 删除定时器

使用del_timer接口删除定时器：

del_timer(&my_timer);

1.3.4 jiffies相关接口

上述定时器单位是以jiffies为单位的，添加定时器和修改定时器的超时时间，都是以jiffies为单位的。下面介绍几个常用的jiffies与其它时间单位转化的接口：

static __always_inline unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);
unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j);
static __always_inline unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j);

static inline unsigned long timespec_to_jiffies(const struct timespec *value);
static inline void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies,struct timespec *value);

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

二、高精度定时器

传统定时器的精度和实时性受限于系统的时钟中断频率和调度机制；
相对于传统定时器（jiffies），高精度定时器可以提供纳秒级的定时精度，适用于实时应用、精确计时等需求；

2.1 hrtimer结构体

struct hrtimer {
    struct timerqueue_node node; // 定时器队列节点
    ktime_t _softexpires;        // 定时器到期时间
    enum hrtimer_restart (*function)(struct hrtimer *); // 回调函数
    enum hrtimer_mode state;     // 定时器状态
    clockid_t clock_id;          // 使用的时钟类型
};

2.2 相关接口

2.2.1 初始化和启动定时器

linux中，可以使用hrtimer_init接口初始化一个高精度定时器；
使用hrtimer_start接口启动定时器；
示例代码：

#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/ktime.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

static struct hrtimer my_hrtimer;

enum hrtimer_restart my_timer_callback(struct hrtimer *timer)
{
    printk(KERN_INFO "High-Resolution Timer Callback\n");
    // 如果需要周期性定时器，重新启动定时器
    hrtimer_forward_now(timer, ns_to_ktime(1000000000)); // 1秒
    return HRTIMER_RESTART;
}

void setup_hrtimer(void)
{
    ktime_t ktime;
    // 初始化高精度定时器
    hrtimer_init(&my_hrtimer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
    my_hrtimer.function = &my_timer_callback;

    // 设置定时器到期时间
    ktime = ktime_set(0, 1000000000); // 1秒
    hrtimer_start(&my_hrtimer, ktime, HRTIMER_MODE_REL);
}

在示例代码中，使用hrtimer_init初始化一个定时器，使用hrtimer_start接口设置定时器超时时间是 1s 并启动定时器。

2.2.2 取消定时器

当模块卸载或者不需要定时器时，使用hrtimer_cancel接口取消定时器：

ret = hrtimer_cancel(&my_hrtimer);

2.2.3 通过定时器实现周期性任务

在定时器回调函数接口中，使用hrtimer_start 重启启动定时器，或者使用hrtimer_forward_now 接口更新定时器的到期时间，都能够实现周期性任务。

hrtimer_forward_now：
将定时器的到期时间向前推进一个时间间隔；
适合保持固定周期，即使回调函数的执行时间可能有波动。
hrtimer_start：
重新启动定时器，可以灵活地设置新的到期时间；
适用于需要在每次回调函数中动态调整定时器时间的场景。