一、内核时间管理
- 系统节拍率
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、对于我们驱动编写者来说最常用的定时器。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，也叫做节拍率(tick rate)(有的资料也叫系统频率)，比如 1000Hz，100Hz 等等说的就是系统节拍率。系统节拍率是可以设置的，单位是 Hz，我们在编译 Linux 内核的时候可以通过图形化界面设置系统节拍率，按照如下路径打开配置界面：
-> Kernel Features
-> Timer frequency (<choice> [=y])
选中“Timer frequency”，打开以后如下图所示：
从上图可以看出，可选的系统节拍率为 100Hz、200Hz、250Hz、300Hz、500Hz 和1000Hz，默认情况下选择 100Hz。设置好以后打开 Linux 内核源码根目录下的.config 文件，在此文件中有如下图所示定义：
上图中的 CONFIG_HZ 为 100，Linux 内核会使用 CONFIG_HZ 来设置自己的系统时钟。打开文件 include/asm-generic/param.h，有如下内容：
6 # undef HZ
7 # define HZ CONFIG_HZ
8 # define USER_HZ 100
9 # define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ)
第 7 行定义了一个宏 HZ，宏 HZ 就是 CONFIG_HZ，因此 HZ=100，我们后面编写 Linux驱动的时候会常常用到 HZ，因为 HZ 表示一秒的节拍数，也就是频率。
大多人看到系统节拍率默认为 100Hz 的时候都会有疑问，怎么这么小？100Hz 是可选的节拍率里面最小的。为什么不选择大一点的呢？这里就引出了一个问题：高节拍率和低节拍率的优缺点：
①、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，采用1000Hz 的话时间精度就是 1ms，精度提高了 10 倍。高精度时钟的好处有很多，对于那些对时间要求严格的函数来说，能够以更高的精度运行，时间测量也更加准确。
②、高节拍率会导致中断的产生更加频繁，频繁的中断会加剧系统的负担，1000Hz 和 100Hz的系统节拍率相比，系统要花费 10 倍的“精力”去处理中断。中断服务函数占用处理器的时间增加，但是现在的处理器性能都很强大，所以采用 1000Hz 的系统节拍率并不会增加太大的负载压力。根据自己的实际情况，选择合适的系统节拍率。
- 几个判断是否超时的API函数
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。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。
如果 unkown 超过 known 的话，time_after 函数返回真，否则返回假。如果 unkown 没有超过 known 的话 time_before 函数返回真，否则返回假。time_after_eq 函数和time_after 函数类似，只是多了判断等于这个条件。同理，time_before_eq 函数和 time_before 函数也类似。比如我们要判断某段代码执行时间有没有超时，此时就可以使用如下所示代码：
1 unsigned long timeout; 2 timeout = jiffies + (2 * HZ); /* 超时的时间点 */
3
4 /*************************************
5 具体的代码
6 ************************************/
7
8 /* 判断有没有超时 */
9 if(time_before(jiffies, timeout)) {
10 /* 超时未发生 */
11 } else {
12 /* 超时发生 */
13 }
timeout 就是超时时间点，比如我们要判断代码执行时间是不是超过了 2 秒，那么超时时间点就是 jiffies+(2*HZ)，如果 jiffies 大于 timeout 那就表示超时了，否则就是没有超时。第 4~6 行就是具体的代码段。第 9 行通过函数 time_before 来判断 jiffies 是否小于timeout，如果小于的话就表示没有超时。
为了方便开发，Linux 内核还提供了几个 jiffies 和 ms、us、ns 之间的转换函数，如下表所示：
二、内核定时器简介
- timer_list 结构体
定时器是一个很常用的功能，需要周期性处理的工作都要用到定时器。Linux 内核定时器采用系统时钟来实现，并不是我们在裸机篇中讲解的 PIT 等硬件定时器。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，和我们使用硬件定时器的套路一样，只是使用内核定时器不需要做一大堆的寄存器初始化工作。在使用内核定时器的时候要注意一点，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(省略掉条件编译)：
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+(2HZ)，因此expires=jiffies+(2HZ)。function 就是定时器超时以后的定时处理函数，我们要做的工作就放到这个函数里面，需要我们编写这个定时处理函数。
- timer_list 结构体操作函数
1、init_timer 函数
init_timer 函数负责初始化 timer_list 类型变量，当我们定义了一个 timer_list 变量以后一定要先用 init_timer 初始化一下。init_timer 函数原型如下：
void init_timer(struct timer_list *timer)
函数参数和返回值含义如下：
timer：要初始化定时器。
返回值：没有返回值。
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，函数原型如下：
void add_timer(struct timer_list *timer)
函数参数和返回值含义如下：
timer：要注册的定时器。
返回值：没有返回值。
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。del_timer 函数原型如下：
int del_timer(struct timer_list * timer)
函数参数和返回值含义如下：
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。
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。del_timer_sync 函数原型如下所示：
int del_timer_sync(struct timer_list *timer)
函数参数和返回值含义如下：
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
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！函数原型如下：
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
函数参数和返回值含义如下：
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。
- 内核定时器一般的使用流程
1 struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
2
3 /* 定时器回调函数 */
4 void function(unsigned long arg)
5 {
6 /*
7 * 定时器处理代码
8 */
9
10 /* 如果需要定时器周期性运行的话就使用 mod_timer
11 * 函数重新设置超时值并且启动定时器。
12 */
13 mod_timer(&dev->timertest, jiffies + msecs_to_jiffies(2000));
14 }
15
16 /* 初始化函数 */
17 void init(void)
18 {
19 init_timer(&timer); /* 初始化定时器 */
20
21 timer.function = function; /* 设置定时处理函数 */
22 timer.expires=jffies + msecs_to_jiffies(2000);/* 超时时间 2 秒 */
23 timer.data = (unsigned long)&dev; /* 将设备结构体作为参数 */
24
25 add_timer(&timer); /* 启动定时器 */
26 }
27
28 /* 退出函数 */
29 void exit(void)
30 {
31 del_timer(&timer); /* 删除定时器 */
32 /* 或者使用 */
33 del_timer_sync(&timer);
34 }
- 内核短延时函数
有时候我们需要在内核中实现短延时，尤其是在 Linux 驱动中。Linux 内核提供了毫秒、微秒和纳秒延时函数，这三个函数如下表所示：
