Linux内核定时器相关内容总结

Linux不可能凭空就有时间基准，那么它是用哪个定时器来作为系统时基？

Linux的时钟系统还是很复杂的，一时半会儿估计捋不清楚。

参考：深度剖析Linux定时器：原理、分类与实践探索 | 《Linux就该这么学》 (linuxprobe.com)

Linux定时器的原理

Linux定时器，即Linux内核所支持的一种时钟调度技术，用于在指定时段或特定时刻自动执行特定任务或函数。其运作机理依赖于操作系统内核的时钟管理体系，通过中断与计时器的协同工作得以实现。Linux内核设有多重定时器队列，各队列分别具备各自的时间分辨率及精度，适配各类定时需求。当定时器预定时间到达之际，内核将自动启动相关处理函数以执行任务。

Linux内核主要包含系统定时器、硬件定时器及软件定时器三类。其中，系统定时器作为核心组件，负责调控整个系统的时间。硬件定时器则与计算机硬件紧密相连，如处理器内置计时器或外置定时器设备等。而软件定时器则为软件模拟的计时器，可通过编程手段进行创建和管理。

系统定时器为Linux内核核心组件，赋予了管理系统时间的重要使命。其涵盖设备种类丰富，含实时时钟linux 常用命令，用以精准计算当下日期与时间；亦包含系统时钟，作为内核内部维护的时钟，精确记录系统运行时间；以及进程时钟，用于追踪进程运行时间，包括用户态及内核态的时间。借助上述时钟，系统定时器得以有效地管理并调度时间，确保系统稳定运行。

接下来分几个部分来说明吧，我们暂且不管时钟源到底来自哪里，这个是系统内核要解决的事情（待解惑：移植Linux时要怎么适配时钟的问题？）。

Linux内核定时器

内核时间管理简介

学习过 UCOS 或 FreeRTOS 的同学应该知道，UCOS 或 FreeRTOS 是需要一个硬件定时器提供系统时钟，一般使用 Systick 作为系统时钟源。同理，Linux 要运行，也是需要一个系统时钟的，至于这个系统时钟是由哪个定时器提供的，笔者没有去研究过 Linux 内核，但是在 CortexA7 内核中有个通用定时器，在《Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf》的“9:Generic Timer”章节有简单的讲解，关于这个通用定时器的详细内容，可以参考《ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf》的“chapter B8 The Generic Timer”章节。这个通用定时器是可选的，按照笔者学习 FreeRTOS 和 STM32 的经验，猜测 Linux 会将这个通用定时器作为 Linux 系统时钟源(前提是 SOC 得选配这个通用定时器)。具体是怎么做的笔者没有深入研究过，这里仅仅是猜测！不过对于我们 Linux 驱动编写者来说，不需要深入研究这些具体的实现，只需要掌握相应的 API 函数即可，除非你是内核编写者或者内核爱好者。

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、定时程序、延时程序等等。

先了解下什么是系统频率。

硬件给内核提供一个系统定时器用以计算和管理时间，内核通过编程预设系统定时器的频率，即节拍率（tick rate),有的资料也叫系统频率。就相当于freertos中systick的定时频率.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”，打开以后如图 50.1.1.1 所示：

从图 50.1.1.1 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。Linux内核从2.5版内核开始把频率从100调高到可支持1000。2.4 中定义为 100，很多应用程序也仍然沿用 100 的时钟频率。

参考：Linux内核中的jiffies及其作用介绍及jiffies等相关函数详解 - 专注it - 博客园 (cnblogs.com)

设置好以后打开 Linux 内核源码根目录下的.config 文件，在此文件中有如图 50.1.1.2 所示定义：

图 50.1.1.2 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：

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。

大多数初学者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，本教程我们全部采用默认的 100Hz 系统节拍率。

一般，这个系统频率也就是Linux时间片调度的频率，也就是1ms或者10ms进行一次任务调度。不过这个频率可能也不仅仅是提供给时间片调度来用的，还用在了其他地方，这个我们暂且不深究。

我们可以利用这个系统频率来做一些定时或者延时等相关的工作。

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，定义如下：

第 76 行，定义了一个 64 位的 jiffies_64。

第 77 行，定义了一个 unsigned long 类型的 32 位的 jiffies。

jiffies_64 和 jiffies 其实是同一个东西，jiffies_64 用于 64 位系统，而 jiffies 用于 32 位系统。

为了兼容不同的硬件，jiffies 其实就是 jiffies_64 的低 32 位，jiffies_64 和 jiffies 的结构如图50.1.1.3 所示：

当我们访问 jiffies 的时候其实访问的是 jiffies_64 的低 32 位，使用 get_jiffies_64 这个函数可以获取 jiffies_64 的值。在 32 位的系统上读取 jiffies 的值，在 64 位的系统上 jiffes 和 jiffies_64表示同