深入研究Linux高精确时序函数

　　如果你想获得比在一般使用者模式 (user-mode) 中执行的行程 (process) 还要精确的时序, 有一些方法可以让你在使用者模式 (user-mode) 中做到 `即时' 排程的支援. Linux 2.x 版本的核心中有软体方式的即时排程支援; 详细的说明请参考 sched_setscheduler(2) 使用说明文件. 有一个特殊的核心支援硬体的即时排程;

　　(Sleeping) : sleep() 与 usleep()

　　现在, 让我们开始较简单的时序函式呼叫. 想要延迟数秒的时间, 最佳的方法大概 是使用函式 sleep() . 想要延迟至少数十毫秒的时间 (10 ms 似乎已是最短的 延迟时间了), 函式 usleep() 应该可以使用. 这些函式是让出 CPU 的使用权 给其他想要执行的行程 (processes) (``自己休息去了''), 所以没有浪费掉 CPU 的时间. 细节请参考 sleep(3) 与 usleep(3) 的说明文件.

　　如果让出 CPU 的使用权因而使得时间延迟了大约 50 毫秒 (这取决於处理器与机器的速度, 以及系统的负荷), 就浪费掉 CPU 太多的时间, 因为 Linux 的排程器 (scheduler) (单就 x86 架构而言) 在将控制权发还给你的行程 (process) 之前通常至少要花费 10-30 毫秒的时间. 因此, 短时间的延迟, 使用函式 usleep(3) 所得到的延迟结果通常会大於你在参数所指定的值, 大约至少有 10 ms.

　　nanosleep()

　　在 Linux 2.0.x 一系列的核心发行版本中, 有一个新的系统呼叫 (system call), nanosleep() (请参考 nanosleep(2) 的说明文件), 他让你能够 休息或延迟一个短的时间 (数微秒或更多).

　　如果延迟的时间 <= 2 ms, 若(且唯若)你执行中的行程 (process) 设定了软体的即时 排程 (就是使用函式 tt/sched_setscheduler()/), 呼叫函式 nanosleep() 时 不是使用一个忙碌回圈来延迟时间; 就是会像函式 usleep() 一样让出 CPU 的使用权休息去了.

　　这个忙碌回圈使用函式 udelay() (一个驱动程式常会用到的核心内部的函式) 来达成, 并且使用 BogoMips 值 (BogoMips 可以准确量测这类忙碌回圈的速度) 来计算回圈延迟的时间长度. 其如何动作的细节请参考 /usr/include/asm/delay.h).

　　使用 I/O 埠来延迟时间

　　另一个延迟数微秒的方法是使用 I/O 埠. 就是从埠位址 0x80 输入或输出任何 byte 的资料 (请参考前面) 等待的时间应该几乎只要 1 微秒这要看你的处理器的型别与速度. 如果要延迟数微秒的时间你可以将这个动作多做几次. 在任何标准的机器上输出资料到该 埠位址应该不会有不良的後果□对 (而且有些核心的设备驱动程式也在使用他). {in|out}[bw]_p() 等函式就是使用这个方法来产生时间延迟的 (请参考档案 asm/io.h).

　　实际上, 一个使用到埠位址□围为 0-0x3ff 的 I/O 埠指令几乎只要 1 微秒的时间, 所以如果你要如此做, 例如, 直接使用并列埠, 只要加上几个 inb() 函式从该 埠位址□围读入 byte 的资料即可.

　　使用组合语言来延迟时间

　　如果你知道执行程式所在机器的处理器型别与时钟速度, 你可以执行某些组合语言指令以便获得较短的延迟时间 (但是记住, 你在执行中的行程 (process) 随时会被暂停, 所以有时延迟的时间会比实际长). 如下面的表格所示, 内部处理器的速度决定了所要使用的时钟周期数; 如, 一个 50 MHz 的处理器 (486DX-50 或 486DX2-50), 一个时钟周期要花费 1/50000000 秒 (=200 奈秒).

　　指令 i386 时钟周期数 i486 时钟周期数nop 3 1xchg %ax,%ax 3 3or %ax,%ax 2 1mov %ax,%ax 2 1add %ax,0 2 1

　　(对不起, 我不知道 Pentiums 的资料, 或许与 i486 接近吧. 我无法在 i386 的资料上找到只花费一个时钟周期的指令. 如果能够就请使用花费一个时钟周期的指令, 要不然就使用管线技术的新式处理器也是可以缩短时间的.)

　　上面的表格中指令 nop 与 xchg 应该不会有不良的後果. 指令最後可能会 改变旗号暂存器的内容, 但是这没关系因为 gcc 会处理. 指令 nop 是个好的选择.

　　想要在你的程式中使用到这些指令, 你得使用 asm("instruction"). 指令的语法就如同上面表格的用法; 如果你想要在单一的 asm() 叙述中使用多个指令, 可以使用分号将他们隔开. 例如, asm("nop ; nop ; nop ; nop") 会执行四个 nop 指令, 在 i486 或 Pentium 处理器中会延迟四个时钟周期 (或是 i386 会延迟 12 个时钟周期).

　　gcc 会将 asm() 翻译成单行组合语言程式码, 所以不会有呼叫函式的负荷.

　　在 Intel x86 架构中不可能有比一个时钟周期还短的时间延迟.

　　在 Pentiums 处理器上使用函式 rdtsc

　　对於 Pentiums 处理器而言, 你可以使用下面的 C 语言程式码来取得自从上次重新开机 到现在经过了多少个时钟周期:

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　　extern __inline__ unsigned long long int rdtsc() { unsigned long long int x; __asm__ volatile (".byte 0x0f, 0x31" : "=A" (x)); return x; }

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　　你可以询问参考此值以便延迟你想要的时钟周期数.

　　想要时间精确到一秒钟, 使用函式 time() 或许是最简单的方法. 想要时间更精确, 函式 gettimeofday() 大约可以精确到微秒 (但是如前所述会受到 CPU 排程的影响). 至於 Pentiums 处理器, 使用上面的程式码片断就可以精确到一个时钟周期.

　　如果你要你执行中的行程 (process) 在一段时间到了之後能够被通知 (get a signal), 你得使用函式 setitimer() 或 alarm() . 细节请参考函式的使用说明文件

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