Linux- 關於timer定時器, delay延遲, sleep睡眠, 與中斷….等等

(參考這篇)

定時器(timer)

定時器(不懂的話,可以暫時想成個鬧鐘)分為硬件和軟件定時器,軟件定時器最終還是要依靠硬件定時器來完成。
內核在時鐘中斷發生後檢測各定時器是否到期,到期後的定時器處理函數將作為軟中斷在底半部執行。
實質上,時鐘中斷處理程序執行update_process_timers函數,該函數調用run_local_timers函數,這個函數處理TIMER_SOFTIRQ軟中斷,運行當前處理上到期的所有定時器。

Linux內核中定義提供了一些用於操作定時器的數據結構和函數如下:
1)timer_list:說定時器,當然要來個定時器的結構體

struct timer_list{
    struct list_head entry; //定時器列表
    unsigned long expires; //定時器到期時間
    void (*function)(unsigned long) ;//定時器處理函數
    unsigned long data; //作為參數被傳入定時器處理函數
    struct timer_base_s *base;
}

2)初始化定時器:
經過這個初始化後,entry的next為NULL,並給base賦值

void init_timer(struct timer_list *timer);

3)增加定時器:
該函數用於註冊內核定時器,並將定時器加入到內核動態定時器鍊錶中。

void add_timer(struct timer_list *timer); 

4)刪除定時器:

int del_timer(struct timer_list *timer);

說明:del_timer_sync是del_timer的同步版,主要在多處理器系統中使用,如果編譯內核時不支持SMP,del_timer_sync和del_timer等價.

5)修改定時器:

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

ex: 下邊是一個使用定​​時器的模版:

struct xxx_dev /*second設備結構體*/
{
  struct cdev cdev; /*cdev結構體*/
  ...
  struct timer_list xxx_timer; /*設備要使用的定時器*/
};
int xxx_func1(...) //xxx驅動中某函數
{
  struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
    ...
  /*初始化定時器*/
  init_timer(&dev->xxx_timer);
  dev->xxx_timer.function = &xxx_do_handle;
  dev->xxx_timer.data = (unsigned long)dev;
  dev->xxx_timer.expires = jiffies + delay;
  
  add_timer(&dev->xxx_timer); /*添加(註冊)定時器*/
  ...
  return 0;
}
int xxx_func2(...) //驅動中某函數
{
  ...
  del_timer(&second_devp->s_timer);
  ...
}
static void xxx_do_timer(unsigned long arg) //定時器處理函數
{
  struct xxx_device *dev = (struct xxx_device *)(arg);
    ...
    //調度定時器再執行
  dev->xxx_timer.expires = jiffies + delay;
  add_timer(&dev->xxx_timer);
}
在定時器函數中往往會在做完具體工作後,延遲expires並將定時器再次添加到內核定時器鍊錶中,以便定時器能被再次觸發 

關於延遲與睡眠

在內核定時器中,常常少不了要說下內核延遲的事,請接著往下看:
1)短延遲:
在linux內核中提供了三個函數來分別實現納秒,微秒,毫秒延遲,原理上是忙等待,它根據CPU頻率進行一定次數的循環

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

毫秒延遲已經相當大了,當然更秒延遲當然要小一些,在內核中,為了性能,最好不要用mdelay,這會耗費大量cpu資源

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

這三個是內核專門提供該我們用來處理毫秒以上的延遲。
上述函數將使得調用它的進程睡眠參數指定的秒數,其中第二個是可以被打斷的,其餘的兩個是不可以的。

2)長延遲:
內核中進行延遲最常用的方法就是比較當前的jiffies和目標jiffies(當前的加上時間間隔的jiffies),直到未來的jiffies達到目標jiffies。
比如:

unsigned long delay = jiffies + 100; //延遲100個jiffies
while(time_before(jiffies, delay));

與time_before對應的還有一個time_after().
其實就是#define time_before(a,b) time_after(b,a);

另外兩個是time_after_eq(a,b)和time_before_eq(a,b)

3)睡著延遲:
這顯然是比忙等待好的方法,因為在未到來之前,進程會處於睡眠狀態,
把CPU空出來,讓CPU可以做別的事情,等時間到了,調用schedule_timeout()就可以喚醒它並重新調度執行。
msleep和msleep_interruptible本質上都是依靠包含了schedule_timeout的schedule_timeout_uninterruptible()和schedule_timeout_interruptible()實現。
就像下邊這樣:

void msleep(unsigned int msecs)
{
    unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1;
    while(timeout)
         timeout = schedule_timeout_uninterruptible(timeout);
}
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs)
{
    unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1;
    while(timeout && !signal_pending(current))
         timeout = schedule_timeout_interruptible(timeout);
    return jiffies_to_msecs(timeout);
}
signed long __sched schedule_timeout_interruptible()signed long timeout)
{
    __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    return schedule_timeout(timeout);
}
signed long __sched schedule_timeout_uninterruptible()signed long timeout)
{
    __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
    return schedule_timeout(timeout);
}

另外還有如下:

time_on_timeout(wait_queue_head_t *q, unsigned long timeout);
interruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, unsigned long timeout);

這兩個將當前進程添加到等待隊列,從而在等待隊列上睡眠,當超時發生時,進程將被喚醒。


關於udelay & mdelay, 就是busy waiting方式

driver常常會需要很短且精準的delay(n microsecond/millisecond),以完成sync。
此時用jiffies就不恰當,第一單位不夠小,如果timer是100Hz,表示一個tick是10 millisecond。
第二不夠準,因為透過scheduler。在kernel裡有兩個function來完成很小的delay,不使用jiffies:

在<linux/delay.h>

void udelay(unsigned long usecs)
void mdelay(unsigned long msecs)

以上兩個都是busy waiting。
udelay的實作要先談BogoMIPS,這個值是指在特定時間內CPU可執行多少個busy loop operation。
也就是說,這個CPU不做任何事可以多快(久) (how fast a processor can do nothing)。
這個值在kernel裡是一個叫做loops_per_jiffy的變數,
在userspace則可在/proc/cpuinfo裡找到。

而kernel是在init/main.c裡透過calibrate_delay()這個function來計算。
值得一提的是這個值是跟performance沒太大關係的。
這個BogoMIPS主要就是用來實作udelay。
udelay去算需要多少個loop operation來得到精確的delay。

使用udelay要小心overflow,它適合很短的delay,通常不超過1 millisecond。
長一點的delay就用mdelay。
要注意的是udelay和mdelay會影響performance,因為CPU無法做任何其他事,所以通常是用來delay以microsecond為單位比較適合。

關於schedule_timeout(), 就是會進入sleep state

另一種delay是schedule_timeout()。與上述不同的是這方法會進入sleep state,直到指定的時間結束,而不是busy waiting。
另一個是不那麼精確,因為睡完是進入run queue。
使用方式是:

/* set task's state to interruptible sleep */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

/* take a nap and wake up in "s" seconds */
schedule_timeout(s * HZ);

可看出這是使用jiffies。上面的code是將這個process在interruptible的情況下睡s秒。
state必須要在TASK_INTERRUPTIBLE或是TASK_UNINTERRUPTIBLE執行schedule_timeout才會進入sleep。

其他範例如下:

首先看到怎麼透過sleep 作延遲
其中第一個判斷式 in_interrupt() 定義為
>> #define irq_count() (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK | NMI_MASK)) // 判斷當前是否在硬件、軟件、底半部中斷上下文 (下方補充1)

msleep_interruptible() 延遲的單位為毫秒(10^-3)
且在於等待過程可能被中斷,中斷指的是 process 可以接收 signal (下方補充2)

  xxx_sleep() - sleep

  The function suspends the execution of the current thread
  until the specified time out interval elapses.
     
  msInterval - the number of milliseconds to suspend the current thread.
  A value of 0 may or may not cause the current thread to yield.
  
void xxx_sleep( v_U32_t msInterval )
{
   if (in_interrupt())
   {
      PRINT_TRACE(XXX_MODULE_ID_XXX, XXX_TRACE_LEVEL_ERROR, "%s cannot be called from interrupt context!!!", __func__);
      return;
   }
   msleep_interruptible(msInterval);
}

接著看這個小API
它實作與msleep()很像, 只是差別在使用 usecs_to_jiffies()
而msleep()是使用 msecs_to_jiffies()

  xx_sleep_us() - sleep

  The function suspends the execution of the current thread
  until the specified time out interval elapses.
     
  usInterval - the number of microseconds to suspend the current thread.
  A value of 0 may or may not cause the current thread to yield.
  
 
  --------------------------------------------------------------------------*/

void xxx_sleep_us( v_U32_t usInterval )
{
   unsigned long timeout = usecs_to_jiffies(usInterval) + 1;
   if (in_interrupt())
   {
      PRINT_TRACE(XXX_MODULE_ID_XXX, XXX_TRACE_LEVEL_ERROR, "%s cannot be called from interrupt context!!!", __func__);
      return;
   }
   while (timeout && !signal_pending(current))
       timeout = schedule_timeout_interruptible(timeout);
}

最後一個例子,
則是透過udelay()實作busy wait

  xxx_busy_wait() - busy wait

  The function places the current thread in busy wait until the specified time out interval elapses. 
  If the interval is greater than 50us on WM, the behaviour is undefined.
     
  para: usInterval - the number of microseconds to busy wait. 
 
void xxx_busy_wait( v_U32_t usInterval )
{
    udelay(usInterval);
}

Reference

Delaying Execution
補充1: in_irq() in_softirq() in_interrupt() 函數區別

#define hardirq_count() (preempt_count() & HARDIRQ_MASK)
#define softirq_count() (preempt_count() & SOFTIRQ_MASK)
#define irq_count() (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK | NMI_MASK))
/*
* Are we doing bottom half or hardware interrupt processing?
* Are we in a softirq context? Interrupt context?
*/
#define in_irq() (hardirq_count()) //判断当前是否在硬件中断上下文
#define in_softirq() (softirq_count()) //判断当前是否在软件中断上下文
#define in_interrupt() (irq_count()) //判断当前是否在硬件、软件、底半部中断上下文

補充2: 不忙碌的等待
如果在等待過程中,希望 CPU 去做其它事的話,可以用定義在「linux/delay.h」中 sleep 系列的等待函式:

void ssleep(unsigned int seconds);
void msleep(unsigned int msecs);
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs);

延遲的單位分別為秒、毫秒(10^-3)、毫秒(10^-3)。
msleep_interruptible() 與 msleep() 不同的地方在於等待過程可能被中斷,中斷指的是 process 可以接收 signal。
如果在 msleep_interruptible() 中收到 signal 而中斷等待的話,則會回傳距離原始時限的時間(正值),否則的話傳回「0」。

發表迴響