时间处理

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概述
创建设备驱动程序的过程中会涉及到多种时间相关内容。内核中为了处理这些时间相关内容，把全局变量 jiffies_64 ( 2.6 内核 )作为时间的基准值 ( 2.4 内核中用 jiffies )。

设备驱动程序利用该基准值测定时间的流逝，并根据该时间控制硬件。为了进行时间的相关处理，内核提供了 Hz 、USER_Hz 等常数，以及处理年，月，日，时，分，秒的 do_gettimeofday() 、 do_settimeofday() 和 mktime() 等函数。

在控制硬件的过程中，偶尔会出现必须的延迟 (硬件的特性及时序上的要求) 。例如，为了访问一些芯片或设备的内部寄存器，需要较短的延迟时间，而同步数据输入输出时需要较长的时间。

通常，延迟较短时间时，会使用以 1ms 为单位的 mdelay() 函数或这是以 1us 为单位的 udelay() 函数等； 而对于延迟相对较长的时间，则会用 jiffies_64 ( 2.4 内核用 jiffies ) 全局变量。

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操作系统的核心功能就是调度 ( scheduling )，为了实现调度，需要定时器中断，Linux 内核在初期就设置了称为 Hz 的常数，该常数设置了发生定时器中断的周期，内核利用该值，确定各个进程的运行时间 ( 进程分配到系统资源的时间 )，并进行调度。

为了处理相关的时间操作，设备驱动程序中使用了下列全局变量和函数：

Hz : 每秒发生的定时器中断次数，2.4 内核中此值为 100 。
  
USER_Hz : (2.6内核新增) 保证 Hz 值的数，在 2.6 内核中 i386 的这个值是 100 。(在 2.6 内核里，Hz 的值与处理器类型相关)
  
jiffies : 2.4 内核以 Hz 值增加的全局变量，即以 0.01s 为间隔以 1 单位递增，即每秒增加 100 。
  
jiffies_64 : (2.6 内核新增) 2.6 内核中以 Hz 值增加的全局变量，在 2.6 内核中 Hz 为 1000，即以 0.001s 为间隔以 1 为单位递增，即每秒增加 1000 。
get_jiffies_64() : (2.6内核新增) 参照 jiffies_64 值的函数。

下图是 2.6 内核定时器中断更新 jiffies_64 值的过程：


下面根据内核版本求出 0.3s 后的时间方法和使用 USER_Hz 值的方法：

2.4 内核中建议使用方法

#define DIFF_TIME ( 3*Hz/10 )
u32 aftertime;
aftertime = jiffies + DIFF_TIME;

这里 DIFF_TIME 的值为 30， 因为 2.4 内核是每 10ms 定时器中断一次，故秒数为 30 x 10 = 300ms 。

2.4 内核中使用的常见方法

#define DIFF_TIME (30)
u32  aftertime;
aftertime = jiffies + DIFF_TIME;

2.6 内核中使用上述例子时的补充方法

#define DIFF_TIME (30)
u64 aftertime;
aftertime = get_jiffies_64() + DIFF_TIME * (Hz / USER_Hz);

2.6 内核中使用的常见方法

#define DIFF_TIME (3*Hz/10)
u64  aftertime;
aftertime = get_jiffies_64() + DIFF_TIME;

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创建设备驱动程序的过程中会遇到需要处理短时间延迟的情况，这里的短时间指的是小于 1ms (0.001s) 的时间，或者是小于 1us (0.000001s) 的时间，此类短时间延迟多用于同步 (synchronization) 硬件，此时使用下列函数：

mdelay() : 以 ms 为单位延迟(http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1219.html)
udelay() : 以 us 为单位延迟 ( http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1220.html )
ndelay() : 以 ns 为单位延迟 ( http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1221.html )

上面 3 个函数属于宏函数，需要包含头文件 <linux/delay.h> 。使用这些函数时，注意不能延迟过长的时间，这些函数在运行时，系统会终止，CPU 会闲置，调用该函数的例程如果出现形无限循环或者多次重复调用该函数，可能会造成系统中止的现象。

如果延迟时间超过 5ms ，就不能使用 mdelay() 函数。

如果延迟时间超过 1000us ，不能使用 udelay() 函数。

ndelay() 是 2.6 内核支持的函数。该函数在 1GHz 以上的快速系统中才有意义。在低于 GHz 的系统中使用该函数时，ndelay() 函数的作用和 udelay() 相同。

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设备驱动程序中，要尽量避免使用超过 1ms 的延迟时间。如果不得不使用长时间延迟，可以使用下列方法。对于控制硬件的设备驱动程序而言，该方法并不值得推荐，要尽可能避免。比如 300ms 的延迟方法：

1、对于 2.4 内核

#define DELAY_TIME_MSEC   (3*Hz/10)

unsigned long endtime = jiffies + DELAY_TIME_MSEC;

while (jiffies < endtime)  schedule();

在时间 endtime 还未到达时，调用 schedule() 函数启动其他进程。这里需要注意，这个延迟可能并不是精确的时间延迟，往往可能会超时，所以这样的方式不能用在有精确时间延迟的终端处理程序上。

2、对于 2.6 内核
2.6 内核属于抢占型内核，这一点与 2.4 内核不同，可以使用下列结构：

#define DELAY_TIME_MSEC   (3*Hz/10)

u64 endtime = get_jiffies_64() + DELAY_TIME_MSEC;

while (jiffies < endtime); 

如果在 2.4 内核中使用该方法，会产生类似系统停止运行的效果，但 2.6 内核为抢占式内核，在循环语句的运行中调度被转换，所以没有必要调用 schedule() 函数。

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通常，设备驱动程序不需要设置年，月，日，时，分，秒形态的系统时间，但是也不能排除有这种可能性，系统还是为此提供了几个函数。下面是与系统时间相关的函数和结构体：

struct timeval : 处理时间的结构体
struct timespec : 处理时间的结构体 (2.6 内核新增； http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1223.html )
do_gettimeofday() : 以秒为单位获取系统的时间；     http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1222.html

do_settimeofday() : 设置换算为秒的系统时间；         http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1223.html
mktime() : 把日期和时间转换为秒；

do_gettimeofday() ,  do_settimeofday() 函数与应用程序中使用的 gettimeofday() 函数或 settimeofday() 函数具有相同的功能。上述函数没有使用常用的时间格式，即其单位不是年，月，日，时，分，秒等，而是把当前时间换算为秒。

mktime() 是辅助函数，即输入年，月，日，时，分，秒后换算为秒。(详见：http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1224.html)

在 2.4 内核中，do_gettimeofday() 和 do_settimeofday() 函数的变量类型均使用 struct timeval 结构体；
在 2.6 内核中，do_gettimeofday() 函数的变量类型为 struct timeval ，而 do_settimeofday() 函数的变量类型为 struct timespec 。

系统时间的设定：
设备驱动程序中设定系统时间时，系统整体的时间会改变，因此要特别注意。应用程序正在延迟时间，或者正在进行时间换算是，如果系统时间发生变化，就会处理错误信息。比如，在 2.6 内核中设置系统时间 2009年9月28日17 时 40 分 20 秒的方法。

timeval.tv_usec = 0;
timeval.tv_sec = (unsigned long) mktime (2009, 9, 28, 17, 40, 20);
do_settimeofday (&timeval);