首先, 我会说不保证你在使用者模式 (user-mode) 中执行的行程 (process)
能够精确地控制时序因为 Linux 是个多工的作业环境. 你在执行中的行程 (process)
随时会因为各种原因被暂停大约 10 毫秒到数秒 (在系统负荷非常高的时候). 然而,
对于大多数使用 I/O 埠的应用而言, 这个延迟时间实际上算不了什么. 要缩短延迟时间,
你得使用函式 nice 将你在执行中的行程 (process ) 设定成高优先权(请参考
nice(2) 使用说明文件) 或使用即时排程法 (real-time scheduling) (请看下面).
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' 排程的支持. Linux 2.x 版本的核心中有软件方式的即时排程支持;
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持硬件的即时排程; 详细的信息请参考网页
http://luz.cs.nmt.edu/~rtlinux/
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 (这取决于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于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) 设定了软件的即时
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() (一个驱动程序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).
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后果才对 (而且有些核心的设备驱动程序也在使用他).
{in|out}[bw]_p() 等函式就是使用这个方法来产生时间延迟的
(请参考文档 asm/io.h).
实际上, 一个使用到埠位址范围为 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
埠位址范围读入 byte 的资料即可.
如果你知道执行程序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 1
xchg %ax,%ax 3 3
or %ax,%ax 2 1
mov %ax,%ax 2 1
add %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 应该不会有不良的后果. 指令最后可能会
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.
想要在你的程序中使用到这些指令, 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序码, 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.
rdtsc 对于 Pentiums 处理器而言, 你可以使用下面的 C 语言程序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:
extern __inline__ unsigned long long int rdtsc()
{
unsigned long long int x;
__asm__ volatile (".byte 0x0f, 0x31" : "=A" (x));
return x;
}
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). 至于 Pentiums 处理器,
使用上面的程序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) 在一段时间到了之后能够被通知 (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.