Linux 高精確的時序（sleep， usleep，nanosleep）

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• 使用 I/O 埠來延遲時間
• 使用組合語言來延遲時間

Linux 高精確的時序（sleep， usleep，nanosleep）

2009-04-16 11:36:48|  分類： Linux |  標籤：無 |字型大小 訂閱

首先, 我會說不保證你在使用者模式 (user-mode) 中執行的行程 (process) 能夠精確地控制時序因為 Linux 是個多工的作業環境. 你在執行中的行程 (process) 隨時會因為各種原因被暫停大約 10 毫秒到數秒 (在系統負荷非常高的時候). 然而, 對於大多數使用 I/O 埠的應用而言, 這個延遲時間實際上算不了什麽. 要縮短延遲時間, 你得使用函式 nice 將你在執行中的行程 (process ) 設定成高優先權(請參考 nice(2) 使用說明檔案) 或使用即時排程法 (real-time scheduling) (請看下面).

如果你想獲得比在一般使用者模式 (user-mode) 中執行的行程 (process) 還要精確的時序, 有一些方法可以讓你在使用者模式 (user-mode) 中做到 `即時' 排程的支援. Linux 2.x 版本的核心中有軟體方式的即時排程支援; 詳細的說明請參考 sched_setscheduler(2) 使用說明檔案. 有一個特殊的核心支援硬體的即時排程; 詳細的資訊請參考網頁 http://luz.cs.nmt.edu/~rtlinux/

休息中 (Sleeping) : sleep() 與 usleep()

現在, 讓我們開始較簡單的時序函式呼叫. 想要延遲數秒的時間, 最佳的方法大概 是使用函式 sleep() . 想要延遲至少數十毫秒的時間 (10 ms 似乎已是最短的 延遲時間了), 函式 usleep() 應該可以使用. 這些函式是讓出 CPU 的使用權 給其他想要執行的行程 (processes) (``自己休息去了''), 所以沒有浪費掉 CPU 的時間. 細節請參考 sleep(3) 與 usleep(3) 的說明檔案.

如果讓出 CPU 的使用權因而使得時間延遲了大約 50 毫秒 (這取決於處理器與機器的速度, 以及系統的負荷), 就浪費掉 CPU 太多的時間, 因為 Linux 的排程器 (scheduler) (單就 x86 架構而言) 在將控制權發還給你的行程 (process) 之前通常至少要花費 10-30 毫秒的時間. 因此, 短時間的延遲, 使用函式 usleep(3) 所得到的延遲結果通常會大於你在參數所指定的值, 大約至少有 10 ms.

nanosleep()

在 Linux 2.0.x 一系列的核心發行版本中, 有一個新的系統呼叫 (system call), nanosleep() (請參考 nanosleep(2) 的說明檔案), 他讓你能夠 休息或延遲一個短的時間 (數微秒或更多).

如果延遲的時間 <= 2 ms, 若(且唯若)你執行中的行程 (process) 設定了軟體的即時 排程 (就是使用函式 tt/sched_setscheduler()/), 呼叫函式 nanosleep() 時 不是使用一個忙碌迴圈來延遲時間; 就是會像函式 usleep() 一樣讓出 CPU 的使用權休息去了.

這個忙碌迴圈使用函式 udelay() (一個驅動程式常會用到的核心內部的函式) 來達成, 並且使用 BogoMips 值 (BogoMips 可以準確量測這類忙碌迴圈的速度) 來計算迴圈延遲的時間長度. 其如何動作的細節請參考 /usr/include/asm/delay.h).

使用 I/O 埠來延遲時間

另一個延遲數微秒的方法是使用 I/O 埠. 就是從埠位址 0x80 輸入或輸出任何 byte 的資料 (請參考前面) 等待的時間應該幾乎只要 1 微秒這要看你的處理器的型別與速度. 如果要延遲數微秒的時間你可以將這個動作多做幾次. 在任何標準的機器上輸出資料到該 埠位址應該不會有不良的後果□對 (而且有些核心的裝置驅動程式也在使用他). {in|out}[bw]_p() 等函式就是使用這個方法來產生時間延遲的 (請參考檔案 asm/io.h).

實際上, 一個使用到埠位址□圍為 0-0x3ff 的 I/O 埠指令幾乎只要 1 微秒的時間, 所以如果你要如此做, 例如, 直接使用並列埠, 只要加上幾個 inb() 函式從該 埠位址□圍讀入 byte 的資料即可.

使用組合語言來延遲時間

如果你知道執行程式所在機器的處理器型別與時脈速度, 你可以執行某些組合語言指令以便獲得較短的延遲時間 (但是記住, 你在執行中的行程 (process) 隨時會被暫停, 所以有時延遲的時間會比實際長). 如下面的表格所示, 內部處理器的速度決定了所要使用的刻度數; 如, 一個 50 MHz 的處理器 (486DX-50 或 486DX2-50), 一個刻度要花費 1/50000000 秒 (=200 奈秒).

指令          i386 刻度數       i486 刻度數
nop                   3                   1
xchg %ax,%ax          3                   3
or %ax,%ax            2                   1
mov %ax,%ax           2                   1
add %ax,0             2                   1

(對不起, 我不知道 Pentiums 的資料, 或許與 i486 接近吧. 我無法在 i386 的資料上找到只花費一個刻度的指令. 如果能夠就請使用花費一個刻度的指令, 要不然就使用管線技術的新式處理器也是可以縮短時間的.)

上面的表格中指令 nop 與 xchg 應該不會有不良的後果. 指令最後可能會 改變旗號暫存器的內容, 但是這沒關係因為 gcc 會處理. 指令 nop 是個好的選擇.

想要在你的程式中使用到這些指令, 你得使用 asm("instruction"). 指令的文法就如同上面表格的用法; 如果你想要在單一的 asm() 敘述中使用多個指令, 可以使用分號將他們隔開. 例如, asm("nop ; nop ; nop ; nop") 會執行四個 nop 指令, 在 i486 或 Pentium 處理器中會延遲四個刻度 (或是 i386 會延遲 12 個刻度).

gcc 會將 asm() 翻譯成單行組合語言程式碼, 所以不會有呼叫函式的負荷.

在 Intel x86 架構中不可能有比一個刻度還短的時間延遲.

在 Pentiums 處理器上使用函式 rdtsc

對於 Pentiums 處理器而言, 你可以使用下面的 C 語言程式碼來取得自從上次重新開機 到現在經過了多少個刻度:

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

你可以詢問參考此值以便延遲你想要的刻度數.

想要時間精確到一秒鐘, 使用函式 time() 或許是最簡單的方法. 想要時間更精確, 函式 gettimeofday() 大約可以精確到微秒 (但是如前所述會受到 CPU 排程的影響). 至於 Pentiums 處理器, 使用上面的程式碼片斷就可以精確到一個刻度.

如果你要你執行中的行程 (process) 在一段時間到了之後能夠被通知 (get a signal), 你得使用函式 setitimer() 或 alarm() . 細節請參考函式的使用說明檔案.