Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Ядро предоставляет две функции для обеспечения микросекундных и миллисекундных задержек, которые определены в файле <linux/delay.h> и не используют переменную jiffies.

void udelay(unsigned long usecs);

void mdelay(unsigned long msecs);

Первая функция позволяет задержать выполнение на указанное количество микросекунд с использованием цикла. Вторая функция задерживает выполнение на указанное количество миллисекунд. Следует вспомнить, что одна секунда равна 1000 миллисекундам, что эквивалентно 1000000 микросекунд. Использование этих функций тривиально.

udelay(150); /* задержка на 150 μs */

Функция udelay() выполнена на основе цикла, для которого известно, сколько итераций необходимо выполнить за указанный период времени. Функция mdelay() выполнена на основе функции udelay(). Так как в ядре известно, сколько циклов процессор может выполнить в одну секунду (смотрите ниже замечание по поводу характеристики BogoMlPS), функция udelay() просто масштабирует это значение для того, чтобы скорректировать количество итераций цикла для получения указанной задержки.

Мой BogoMIPS больше, чем у Вас!

Характеристика BogoMlPS всегда была источником недоразумений и шуток. На самом деле вычисленное значение BogoMlPS не имеет ничего общего с производительностью компьютера и используется только для функций udelay() и mdelay(). Название этого параметра состоит из двух частей bogus (фиктивный) и MIPS (million of instructions per second, миллион инструкций в секунду). Все знакомы с сообщением, которое выдается при загрузке системы и похоже на следующее (данное сообщение соответствует процессору Pentium III с частотой 1 ГГц).

Detected 1004.932 MHz processor.

Calibrating delay loop... 1990.65 BogoMlPS

Значение параметра BogoMIPS - это количество циклов, которые процессор может выполнить за указанный период времени, В действительности эта характеристика показывает, насколько быстро процессор может ничего не делать! Это значение хранится в переменной loops_per_jiffy, и его можно считать из файла /proc/cpuinfo.

Функции, использующие циклы задержки, используют данное значение, чтобы вычислить (и это получается достаточно точно), сколько итераций цикла необходимо выполнить, чтобы обеспечить необходимую задержку.

Ядро вычисляет значение переменной loops_per_jiffy при загрузке системы в функции calibrate_delay(), реализация которой описана в файле init/main.c.

Функция udelay() должна вызываться только для небольших задержек, поскольку при большом времени задержки на быстрой машине может возникнуть переполнение в переменных цикла. Общее правило: по возможности не использовать функцию udelay() для задержек, больше одной миллисекунды. Для более продолжительных задержек хорошо работает функция mdelay(). Так же как и другие методы задержки выполнения, основанные на циклах, эти функции (особенно функция mdelay(), так как она дает длительные задержки) должны использоваться, только если это абсолютно необходимо. Следует помнить, что очень плохо использовать циклы задержек, когда удерживается блокировка или запрещены прерывания, потому что это очень сильно влияет на производительность и время реакции системы. Если необходимо обеспечить точное время задержки, то эти функции — наилучшее решение. Обычное использование этих функций — это задержки на не очень короткий период времени, который лежит в микросекундном диапазоне.

Функция schedule_timeout()

Более оптимальный метод задержки выполнения — это использование функции schedule_timeouit(). Этот вызов переводит вызывающее задание в состояние ожидания (sleep) по крайней до тех пор, пока не пройдет указанный период времени. Нет никакой гарантии, что время ожидания будет точно равно указанному значению, гарантируется только, что задержка будет не меньше указанной. Когда проходит указанный период времени, ядро возвращает задание в состояние готовности к выполнению (wake up) и помещает его в очередь выполнения. Использовать эту функцию просто.

/* установить состояние задания в значение прерываемого ожидания */

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);

/* перейти в приостановленное состояние на s секунд */

schedule_timeout(s * HZ);

Единственный параметр функции — это желаемое относительное время, выраженное в количестве импульсов системного таймера. В этом примере задание переводится в прерываемое состояние ожидания, которое будет длиться s секунд. Поскольку задание отмечено как TASK_INTERRUPTIBLE, то оно может быть возвращено к выполнению раньше времени, как только оно получит сигнал. Если не нужно, чтобы код обрабатывал сигналы, то можно использовать состояние TASK_UNINTERRUPTIBLE. Перед вызовом функции schedule_timeout() задание должно быть в одном из этих двух состояний, иначе задание в состояние ожидания переведено не будет.

Следует обратить внимание, что поскольку функция schedule_timeout() использует планировщик, то код, который ее вызывает, должен быть совместим с состоянием ожидания. Обсуждение, посвященное атомарности и переходу в состояние ожидания, приведено в главах 8 и 9. Если коротко, то эту функцию необходимо вызывать в контексте процесса и не удерживать при этом блокировку.

Функция schedule_timeout() достаточно проста. Она просто использует таймеры ядра. Рассмотрим эту функцию подробнее.

signed long schedule_timeout(signed long timeout) {

 timer_t timer;

 unsigned long expire;

 switch (timeout) {

 case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:

  schedule();

  goto out;

 default:

  if (timeout < 0) {

   printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "

    "value %lx from %pn", timeout, builtin_return_address(0));

   current->state = TASK_RUNNING;

   goto out;

  }

 }

 expire = timeout + jiffies;

 init_timer(&timer);

 timer.expires = expire;

 timer.data = (unsigned long) current;

 timer.function = process_timeout;

 add_timer(&timer);

 schedule();

 del_timer_sync(&timer);

 timeout = expire - jiffies;

out:

 return timeout < 0 ? 0 : timeout;

}

Эта функция создает таймер timer и устанавливает время срабатывания в значение timeout импульсов системного таймера в будущем. В качестве обработчика таймера устанавливается функция process_timeout(), которая вызывается, когда истекает период времени таймера. Далее таймер активизируется, и вызывается функция schedule(). Так как предполагается, что текущее задание находится в состоянии TASK_INTERRUPTIBLE или TASK_UNINTERRUPTIBLE, то планировщик не будет выполнять текущее задание, а выберет для выполнения другой процесс.

Когда интервал времени таймера истекает, то вызывается функция process_timeout(), которая имеет следующий вид.

void process_timeout(unsigned long data) {

 wake_up_process((task_t*)data);

}

Эта функция устанавливает задание в состояние TASK_RUNNING и помещает его в очередь выполнения.

Когда задание снова планируется на выполнение, то оно возвращается в функцию schedule_timeout() (сразу после вызова функции schedule()). Если задание возвращается к выполнению преждевременно, то таймер ликвидируется. После этого задание возвращается из функции ожидания по тайм-ауту.

Код оператора switch() служит для обработки специальных случаев и не является основной частью функции. Проверка на значение MAX_SCHEDULE_TIMEOUT позволяет заданию находиться в состоянии ожидания неопределенное время. В этом случае таймер не устанавливается (поскольку нет ограничений на интервал времени ожидания), и сразу же активизируется планировщик. Если вы это применяете, то, наверное, у вас есть лучший способ вернуть задание в состояние выполнения!

Ожидание в очереди wait queue в течение интервала времени

В главе 4 рассматривалось, как контекст процесса в ядре может поместить себя в очередь ожидания для того, чтобы ждать наступления некоторого события, а затем вызвать планировщик, который выберет новое задание для выполнения. Если где-то в другом месте произойдет указанное событие, то вызывается функция wake_up() для всех заданий, которые ожидают в очереди. Эти задания возвращаются к выполнению и могут продолжать работу.

Иногда желательно ожидать наступления некоторого события или пока не пройдет определенный интервал времени, в зависимости от того, что наступит раньше, В этом случае код должен просто вызвать функцию schedule_timeout() вместо функции schedule() после того, как он поместил себя в очередь ожидания. Задание будет возвращено к выполнению, когда произойдет желаемое событие или пройдет указанный интервал времени. Код обязательно должен проверить, почему он возвратился к выполнению — это может произойти потому, что произошло событие, прошел интервал времени или был получен сигнал — после этого необходимо соответственным образом продолжить выполнение.