一、内核的时间管理

1.1 节拍率

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、延时程序等等，对于驱动编写者来说最常用的是定时器。

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，也叫节拍率。系统节拍率是可以设置的，单位是Hz：

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；

如果采用1000Hz的的节拍率，时间精度就是1ms。

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，默认情况下选择100Hz，打开Linux内核源码根目录下的.config文件，在此文件中有如图定义：

CONFIG_HZ默认为100，Linux内核会使用CONFIG_HZ来设置自己的系统时钟。

1.2 全局变量jiffies

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; 

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事实上是jiffies_64的低32位，jiffies_64和 jiffies的结构如图：

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。

1.3 绕回

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，因此也叫做绕回。假如HZ为最大值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API函数来处理绕回：

函数	描述
time_after(unkown, known)	如果unkown超过known，返回真，否则返回假。
time_before(unkown, known)	如果unkown没有超过known，返回真，否则返回假。

unkown通常为jiffies，known通常是需要对比的值。

比如要判断某段代码执行时间有没有超时2s，此时使用如下所示代码：

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 */ 
}

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：

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)

---

二、内核定时器

2.1 简介

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。但是，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 { 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。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。

2.2 定时器API函数

2.2.1 init_timer函数 

init_timer函数负责初始化timer_list类型变量，定义了一个timer_list变量以后一定要先用init_timer初始化一下：

void init_timer(struct timer_list *timer)

timer：要初始化定时器。
返回值：没有返回值。 

2.2.2 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：

void add_timer(struct timer_list *timer)

timer：要注册的定时器。
返回值：没有返回值。

2.2.3 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：

int del_timer(struct timer_list * timer) 

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。

2.2.4 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： 

int del_timer_sync(struct timer_list *timer)

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。

2.2.5 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：

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

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。

2.3 Linux内核短延时函数

Linux内核提供了毫秒、微秒和纳秒延时函数：

函数	描述
void ndelay(unsigned long nsecs)	纳秒、微秒和毫秒延时函数。
void ndelay(unsigned long nsecs)
void mdelay(unsigned long mseces)

---

三、驱动代码简单模板

内核定时器一般的使用流程如下所示：

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); 
}