【问题标题】:How to implement highly accurate timers in Linux Userspace?如何在 Linux 用户空间中实现高精度定时器?
【发布时间】:2014-06-05 04:52:02
【问题描述】:

我的 BeagleBoard 上有 Angstrom Linux。

我想实现非常精确的计时器,它可以每 500us 触发一次。我读到了hrtimers,但我发现的所有实现都是针对内核空间的。我想在用户空间中实现它。

是否有任何 API 可以调用这些hrtimers,我可以在用户空间中使用它或在 linux 中实现精确计时器的任何其他方式?

我已将jiffy 设置为几纳秒。

【问题讨论】:

  • 首先阅读time(7),然后考虑clock_gettime(2)CLOCK_REALTIME和/或timer_create(2)和/或timerfd_create(2);它可能适合您的需求。但是,准确性取决于硬件!我不确定你能不能得到一个 2000Hz 的周期性定时器。
  • 谢谢@BasileStarynkevitch:我尝试了一个类似的代码,它的工作精度一般。我已经在我的答案中发布了详细信息。
  • 我已经添加了修改后的代码。
  • 你到底为什么要问?为什么在用户空间(而不是内核)中需要一个非常准确的计时器?干什么用的?
  • 这是否意味着clock_gettime实际上正在使用cpu计时器(如内核中的hrtimer)?

标签: linux timer beagleboard


【解决方案1】:

最后,经过一番努力,我找到了一个代码,它建议将timer_create()clock_gettime() 与信号处理(处理 SIGALRM)结合使用,类似于 Basile Starynkevitch 在他的评论中建议的.

我在时钟类型为CLOCK_MONOTONIC 的 1 GHz Beaglebone 上尝试了 500us 的时间间隔。

10000 次计时器到期后,2% 时间正好是 500 微秒(我忽略了纳秒的差异)。和96.6% 的时间在500 +/- 10us 的范围内。其余时间,平均误差不超过 +/- 50us。

This is the link for the code

我在这里发布了稍微修改过的代码版本。我对代码做了以下修改:

  1. 对于 ~10us 的小间隔,count 会无限递减,因此我在信号处理程序本身内添加了对测试数量 (count) 的控制。

  2. 在运行计时器的中间添加printf 会花费大量时间。因此,我将时间差存储在一个数组中,然后在最后,即在最后一次测试之后,我打印了所有内容。

  3. 我认为以unsigned long(即以纳秒为单位)计算时间差比以double(以秒为单位)计算更好,因为它更准确并且可能更快。因此,我修改了timerdiff 宏以输出以纳秒为单位的差异。由于我使用的是 500us 或更短的间隔,因此差异永远不会超出 unsigned long 的范围。

正如您所见,即使在修改之后,也只有 2% 的结果准确到

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

#define NSEC_PER_SEC 1000000000L

#define MAX_TESTS    10000

#define timerdiff(a,b) (((a)->tv_sec - (b)->tv_sec) * NSEC_PER_SEC + \
(((a)->tv_nsec - (b)->tv_nsec)))

static struct timespec prev = {.tv_sec=0,.tv_nsec=0};
static int count = MAX_TESTS;
unsigned long diff_times[MAX_TESTS];

void handler( int signo )
{
    struct timespec now;
    register int i, correct=0;

    if(count >= 0)
    {
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &now);
        diff_times[count]=timerdiff(&now, &prev);
        prev = now;
        count --;
    }

    else
    {
        for(i=0; i<MAX_TESTS; ++i)
        {
            if(diff_times[i]/1000 < 510 && diff_times[i]/1000 > 490)
            {
                printf("%d->\t", i);
                correct++;
            }
            printf("%lu\n", diff_times[i]);
        }
        printf("-> %d\n", correct);
        exit(0);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    timer_t t_id;

    struct itimerspec tim_spec = {.it_interval= {.tv_sec=0,.tv_nsec=500000},
                    .it_value = {.tv_sec=1,.tv_nsec=0}};

    struct sigaction act;
    sigset_t set;

    sigemptyset( &set );
    sigaddset( &set, SIGALRM );

    act.sa_flags = 0;
    act.sa_mask = set;
    act.sa_handler = &handler;

    sigaction( SIGALRM, &act, NULL );

    if (timer_create(CLOCK_MONOTONIC, NULL, &t_id))
        perror("timer_create");

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &prev);

    if (timer_settime(t_id, 0, &tim_spec, NULL))
        perror("timer_settime");

    while(1);

    return 0;
}

【讨论】:

  • 您是否使用带有“实时”内核抢占补丁的内核?如果可以的话,你应该。您看到的断断续续可能是由于在触发定时器中断时内核中发生了不可抢占的事情;通过内核抢占,计时器应该能够更接近完美地准时触发。
  • 您知道您的解决方案有多少开销吗?生成和处理每 500us 触发的信号是否存在明显的 CPU 开销?
  • @Don't You Worry Child,您如何测量计时器的准确性?使用范围或其他方法?谢谢
  • 你试过实时抢占补丁并比较结果吗?
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