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外观

06、定时器实验 * ​

系统节拍率（tick rate）是操作系统管理时间的核心指标，它指每秒系统会触发多少次时钟中断。这个参数决定了系统对时间的最小分辨能力，直接影响任务调度的频率、延迟响应速度以及整体运行效率。

一、定时器 ​

Linux内核的时间管理主要依靠系统定时器实现。这个定时器的工作原理是：设定一个未来时间点，到点后触发操作。内核需要依靠它来计算时间，但这种定时器精度不高（无法精确到很小的时间单位），所以不能用于需要高精度的场景。

更关键的是，这种定时器没有自动循环功能。当设定的目标时间到达后，定时器会自动关闭。如果需要重复定时（比如每秒触发一次），必须在定时器触发时的处理程序里，手动重新启动这个定时器。这样循环往复才能实现周期性计时功能。

1.1、timer_list 结构体 ​

Linux 内核中使用 timer_list 结构体表示内核定时器， 该结构体定义在“内核源码/include/linux/timer.h”文件中， 具体内容如下所示：

C
struct timer_list {
    struct hlist_node entry;
    unsigned long expires;/* 定时器超时时间， 单位是节拍数 */
    void (*function)(struct timer_list *);/* 定时处理函数 */
    u32 flags;
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
        struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
    ANDROID_KABI_RESERVE(1);
    ANDROID_KABI_RESERVE(2);
};

使用以下宏对 timer_list 结构体进行定义， _name 为定义的结构体名称， _function 为定时处理函数， 该宏同样定义在文件 “内核源码/include/linux/timer.h” 文件中， 如下所示：

C
#define DEFINE_TIMER(_name, _function) \
    struct timer_list _name = \
        __TIMER_INITIALIZER(_function, 0)

例如可以使用以下代码对定时器和相应的定时处理函数进行定义

C
DEFINE_TIMER(timer_test,function_test);//定义一个定时器

1.2、API接口 ​

使用Linux定时器需要通过以下步骤操作：

  • 初始化定时器时间

  • 在调用add_timer()前，必须先设置定时时间

  • 时间值由timer_list结构体的expires参数指定

  • 单位是系统的时钟节拍数（可通过系统设置调整节拍频率）

  • 添加定时器 void add_timer(struct timer_list *timer);

  • 将定时器注册到内核

  • 注册后定时器立即开始计时

  • 删除定时器 int del_timer(struct timer_list *timer);

  • 终止并移除指定定时器

  • 修改定时器 int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);

  • 更新定时器的到期时间值

  • 如果定时器未运行，会自动重新激活

操作流程：先设置好expires参数的值，再通过add_timer启动定时器。若需调整时间，使用mod_timer更新；若要停止，用del_timer删除。所有操作都通过操作timer_list结构体完成。

C
-> Kernel Features
    A-> Timer frequency (<choice> [=y])

1.3、节拍率 ​

在Linux系统中，系统节拍率（比如默认的300Hz）决定了CPU每秒处理系统任务的次数。选择300Hz作为默认值主要有两个原因：

  1. 平衡精度和省电   300Hz意味着CPU每秒检查300次任务，这个频率既能让系统及时响应任务（比如程序运行、硬件操作），又不会因为检查太频繁（比如1000Hz）而白白消耗过多电量和计算资源。如果频率太低（比如100Hz），可能无法及时处理需要快速响应的任务。
  2. 适用大多数场景   这个数值对大多数设备都够用——无论是普通电脑、服务器还是嵌入式设备（比如路由器）。它不会因为追求极端性能而牺牲通用性，比如游戏电脑可能需要更高的频率，但普通用户用不着这么极致的配置。

简单来说，300Hz就像「 Goldilocks原则」（刚刚好）：既不会太慢卡顿，也不会太激进浪费资源，所以成了默认选择。

1.4、jiffies节拍总数 ​

Linux内核用一个叫jiffies的计数器来记录系统启动后经过的时钟节拍总数。这个计数器在开机后初始化为0，每当系统定时中断触发时，它的数值就加1。例如，如果系统设置的时钟频率是每秒100次（即每秒产生100个节拍），那么jiffies每秒就会增加100。

具体来说：

  • 在64位系统中，这个计数器叫jiffies_64，用长整型存储
  • 在32位系统中，直接叫jiffies，用普通整型存储

为了方便时间单位转换，系统提供了以下辅助工具：

  1. jiffies转常见时间单位：

    • jiffies_to_msecs：把节拍数转成毫秒
    • jiffies_to_usecs：转成微秒
    • jiffies_to_nsecs：转成纳秒

  2. 常见时间单位转jiffies：

    • msecs_to_jiffies：把毫秒转成节拍数
    • nsecs_to_jiffies：把纳秒转成节拍数

这些工具让开发者在编写涉及时间管理和定时任务的代码时，能方便地在系统时钟节拍数和我们熟悉的毫秒、微秒、纳秒等单位之间进行转换，避免了手动计算的麻烦。

二、实验程序 ​

C++
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/timer.h>

static void function_test(struct timer_list *t);//定义function_test定时功能函数
DEFINE_TIMER(timer_test,function_test);//定义一个定时器
static void function_test(struct timer_list *t)
{
    printk("this is function test \n");
    mod_timer(&timer_test,jiffies_64 + msecs_to_jiffies(5000));//使用mod_timer函数将定时时间设置为五秒后
}
static int __init timer_mod_init(void) //驱动入口函数
{
    timer_test.expires = jiffies_64 + msecs_to_jiffies(5000);//将定时时间设置为五秒后
    add_timer(&timer_test);//添加一个定时器
    return 0;
}

static void __exit timer_mod_exit(void) //驱动出口函数
{
    del_timer(&timer_test);//删除一个定时器
    printk("module exit \n");
}
module_init(timer_mod_init);
module_exit(timer_mod_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");