第10章 中断与时钟之内核延时

10.6　内核延时

10.6.1　短延迟

Linux内核中提供下列3个函数以分别进行纳秒、微秒和毫秒延迟：

<linux/delay.h>

void ndelay(unsigned long nsecs);
void udelay(unsigned long usecs);

void mdelay(unsigned long msecs);

上述延迟的实现原理本质上是忙等待，它根据CPU频率进行一定次数的循环。有时，在软件中进行下面的延迟：

void delay(unsigned int time)
{
        while(time--);

}

ndelay（）、udelay（）和mdelay（）函数的实现方式原理与此类似。kernel在启动时，会运行一个延迟循环校准（Delay Loop Calibration）,计算出lPJ（Loops Per Jiffy），内核启动时会打印如下类似信息：

Calibrating delay loop... 530.84 BogoMIPS (lpj=1327104)

如果直接在bootloader（U-boot）传递给内核的bootargs中设置lpj=1327104，则可以省掉这个校准的过程，节省约百毫秒级的开机时间。

毫秒时延（以及更大的秒时延）已经比较大了，在内核中，最好不要直接使用mdelay（）函数，会耗费CPU资源。对于毫秒级以上的时延，内核提供如下函数：

void msleep(unsigned int millisecs);
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int millisecs);

void ssleep(unsigned int seconds);

上述函数将使得调用这些函数的进程睡眠参数指定的时间，msleep（）、ssleep（）不能被打断，而msleep_interruptible（）可以被打断。

备注：受系统HZ以及进程调度的影响，msleep（）类似函数的精度是有限的。

10.6.2　长延迟

在内核中进行延迟的一个很直观的方法是比较当前的jiffies和目标jiffies（设置为当前jiffies加上时间间隔的jiffies），直到未来的jiffies达到目标jiffies。

代码清单10.15给出使用忙等待先延迟100个jiffies再延迟2s的实例。

代码清单10.15　忙等待时延实例

#include <linux/jiffies.h>

/* 延迟100个jiffies */
unsigned long delay = jiffies + 100;
while(time_before(jiffies, delay));

/* 再延迟2s */
unsigned long delay = jiffies + 2*HZ;
while(time_before(jiffies, delay));/*第一个参数为被调用时的jiffies,第二个参数为未来时间的jiffies*/

与time_before（）对应的还有一个time_after（），这两个在内核中定义为（只是将传入的未来时间jiffies和被调用时的jiffies进行一个简单的比较）：

#define time_after(a,b) \
(typecheck(unsigned long, a) && \
typecheck(unsigned long, b) && \
((long)(b) - (long)(a) < 0))
#define time_before(a,b) time_after(b,a)

为了防止在time_before（）和time_after（）的比较过程中编译器对jiffies的优化，内核将其jiffies定义为volatile变量，这将保证每次都会重新读取这个变量。因此volatile更多的作用还是避免这种读合并。

10.6.3　睡着延迟

睡着延迟是比忙等待更好的方式，睡着延迟是在等待的时间到来之前进程处于睡眠状态，CPU资源被其他进程使用。schedule_timeout（）可以使当前任务休眠到指定的jiffies之后再重新被调度执行，msleep（）和msleep_interruptible（）在本质上都是依靠包含了schedule_timeout（）的schedule_timeout_uninterruptible（）和schedule_timeout_interruptible（）来实现的。

代码清单10.16　schedule_timeout（）的使用

void msleep(unsigned int msecs) /* 不可以被打断 */
{
     unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1;

     while (timeout)
         timeout = schedule_timeout_uninterruptible(timeout);
}

unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs)/* 可以被打断 */
{
      unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1;

      while (timeout && !signal_pending(current))
           timeout = schedule_timeout_interruptible(timeout);
      return jiffies_to_msecs(timeout);
}

实际上，schedule_timeout（）的实现原理是向系统添加一个定时器，在定时器处理函数中唤醒与参数对应的进程。

代码清单10.17　schedule_timeout_uninterruptible（）和schedule_timeout_interruptible（）

signed long __sched schedule_timeout_uninterruptible(signed long timeout)
{
     __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);// 设置进程状态为TASK_UNINTERRUPTIBLE
     return schedule_timeout(timeout);
}

signed long __sched schedule_timeout_interruptible(signed long timeout)
{
     __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);// 设置进程状态为TASK_INTERRUPTIBLE
     return schedule_timeout(timeout);

}

下面两个函数可以将当前进程添加到等待队列中，从而在等待队列上睡眠。当超时发生时，进程将被唤醒。

sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, unsigned long timeout);

interruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t*q, unsigned long timeout);// 可以在超时前被打断

总结：

Linux的中断处理分为两个半部，上半部处理紧急的硬件操作，下半部处理不紧急的耗时操作。tasklet（小任务）和工作队列都是中断下半部实现的良好机制，tasklet基于软中断实现（软中断上下文中）。内核定时器也依靠软中断实现。

内核中的延时可以采用忙等待或睡眠等待，为了充分利用CPU资源，使系统有更好的吞吐性能，，在对延迟时间的要求并不是很精确的情况下，通常值得推荐睡眠等待，而ndelay（）、udelay（）忙等待机制在驱动中通常是为了配合硬件上的短时延迟要求，mdelay()通常在驱动中不推荐使用。