33 Linux内核高精度定时器实现延时_linux内核精准延迟-优快云博客

33.1 前言

对于Linux驱动开发来说，我们不可避免会使用到延时函数，其中最为常见的延时函数有msleep、usleep（sleep这些是睡眠不占用cpu的），还有mdelay、udelay（delay是CPU忙等待，定时精准但占用cpu），上述延时函数各有优缺点。对于普通情况的延时，也就是多一秒也没大关系的用sleep类延时函数完全没问题，对于有精准延时的用delay类函数一般也没啥问题。如果涉及到硬件时序操作的，我们必定要使用精准的延时函数，如果在对应的地方使用不精准的sleep类延时函数，则会出现下面时序巨大的时序偏差。

然而，如果使用delay函数对于系统性能来说是一个硬伤害，CPU忙等待表示CPU干不了其它事情，只能瞎等。因此，为了解决这种资源浪费问题，必须用另外一个办法解决，那就是使用高精度定时器+条件等待，实现延时函数的功能。

33.2 hrtimer高精度定时器

内核从2.6.16开始加入了高精度定时器架构，高精度定时器架构具有稳定快速的查找、插入、删除定时能力及排序功能，红黑树（rbtree）来组织hrtimer，红黑树已经以库的形式存在于内核中，并被成功地使用在内存管理子系统和文件系统中，随着系统的运行，hrtimer不停地被创建和销毁，新的hrtimer按顺序被插入到红黑树中，树的最左边的节点就是最快到期的定时器，内核用一个hrtimer结构来表示一个高精度定时器。

hrtimer相关函数

void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t clock_id, enum hrtimer_mode mode)	高精度定时器初始化；timer高精度定时器数据结构；clockid定时的时间类型（如实时时间、开机时间）；mode定时器模式
hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode)	高精度定时器启动；timer定时器结构；tim定时时间；mode定时器模式
ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs)	定时器时间设定函数；secs秒；nsecs纳秒
hrtimer_forward_now(struct hrtimer *timer, ktime_t interval)	设置超时时间；interval下次超时时间
int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer)	关闭定时器
enum hrtimer_restart (function)(struct hrtimer )	定时器超时回调函数

33.3 Linux等待队列

在驱动开发中，有时不可避免需要进行阻塞，如当硬件数据未准备好，此时程序必须阻塞等待数据准备好才能读，否则读取到的数据内容将是无效数据。为了支持应用层这种阻塞与非阻塞的功能，驱动程序就需要提供阻塞（如等待队列，中断）和非阻塞方式（如轮询，异步通知）机制。

Linux内核中，等待队列是常用的阻塞条件出发机制，在数据或任务不能被读取或执行时，将要执行的任务放入等待队列中，当条件到达及唤醒等待队列时再执行即可。

等待队列阻塞分为ASK_UNINTERRUPTIBLE（不可打断）模式睡眠、TASK_INTERRUPTIBLE（可打断）模式睡眠，在不可打断睡眠中，就算发送kill信号程序也不会响应。

等待队列函数

wait_queue_head_t queue；	等待队列结构
init_waitqueue_head(wait_queue_head_t* queue)	初始化等待队列；
wait_event(*queue, int condition)	不可打断等待；condition等待条件
wait_event_interruptible(*queue, int condition)	可打断等待模式；
wait_event_timeout(queue, condition, timeout)	超时条件等待不可中断函数；
wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)	超时条件等待可中断函数
wake_up(wait_queue_head_t *queue);	等待唤醒queue所有进程
wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue)	等待唤醒queue所有进程

33.4 高精度定时器延时驱动实例

#include <linux/module.h>    
#include <linux/kernel.h>    
#include <linux/hrtimer.h>    
#include <linux/jiffies.h>    
  
struct _stIdelayMngr{  
    int nQueWaiting;                    /*等待队列条件*/  
    wait_queue_head_t iwaitQue;         /*等待队列*/  
    struct hrtimer ihrtimer;            /*高精度定时器*/  
};  
struct _stIdelayMngr stIdelayMngr;  
  
//示例程序  
int hrtimer_main()  
{  
    while(1)  
    {  
        /*启动高精度定时器，结合等待队列延时1ms*/      
        hrtimer_start(&stIdelayMngr.ihrtimer,ktime_set(0,1000*1000),HRTIMER_MODE_REL);  
        wait_event(stIdelayMngr.iwaitQue,stIdelayMngr.nQueWaiting);  
        stIdelayMngr.nQueWaiting = 0;  
  
        /*do something you want*/  
        //.....  
    }  
    return 0;  
}  
  
/* 定时器回调函数 */    
static enum hrtimer_restart hrtimer_hander(struct hrtimer *timer)    
{  
    stIdelayMngr.nQueWaiting = 1;  
    wake_up(&stIdelayMngr.iwaitQue);  
    return HRTIMER_NORESTART;  
}  
  
static int __init hrtimer_demo_init(void)    
{  
    memset(&stIdelayMngr,0,sizoef(stIdelayMngr));  
    /*初始化等待队列*/  
    stIdelayMngr.nQueWaiting = 0;  
    init_waitqueue_head(&stIdelayMngr.iwaitQue);  
  
    /*初始化高精度定时器*/  
    hrtimer_init(&stIdelayMngr.ihrtimer,CLOCK_MONOTONIC,HRTIMER_MODE_REL);    
    stIdelayMngr.ihrtimer.function = hrtimer_hander;    /* 设置回调函数 */    
    hrtimer_start(&stIdelayMngr.ihrtimer,ktime_set(1,0),HRTIMER_MODE_REL);  /* hrtimer启动 */    
  
    return 0;    
}  
  
static void __exit hrtimer_demo_exit(void)    
{  
    /* hrtimer注销 */    
    hrtimer_cancel(&stIdelayMngr.ihrtimer);  
}  
  
module_init(hrtimer_demo_init);    
module_exit(hrtimer_demo_exit);    
MODULE_LICENSE("GPL");