Linux计时体系结构

【Linux操作系统分析】定时测量——RTC，TSC，PIT，jiffies，计时体系结构，延迟函数

 

1 基本概念

定时机制连同一些更可见的内核活动（如检查超时）来驱使进程切换。

两种主要的定时测量：

• 保存当前的时间和日期，以便能通过time(), ftime()和gettimeofday()系统调用把它们返回给用户程序。
• 维持定时器，这种机制能够告诉内核或用户程序某一时间间隔已经过去了。

定时测量是由基于固定频率振荡器和计数器的几个硬件电路完成的。

2 时钟和定时器电路

时钟电路用于跟踪当前时间和产生精确的时间度量。

定时器电路由内核编程，所以它们以udingde，预先定义的频率发出中断。

时钟电路的分类

• 用于跟踪当前时间
  • 实时时钟RTC
  • 时间戳计数器TSC

• 产生周期性的时钟中断，用于计时
  • 可编程间隔定时器PIT

2.1 实时时钟RTC——IRQ8上产生中断

当PC被切断电源，RTC还继续工作。

内核通过0x70和0x71I/O端口访问RTC。

能在IRQ8上发出周期性的中断，频率在2HZ~8192HZ之间，可编程

2.2 时间戳计数器TSC

在80x86微处理器中，有一个CLK输入引线接收外部振荡器的时钟信号。TSC在每个时钟信号到来时加1.

TSC是一个64位的时间戳计数器寄存器，汇编指令rdtsc读这个寄存器。Linux在初始化时系统时必须确定时钟信号的频率。

获得tsc的时钟频率：calibrate_tsc()函数通过计算一个大约在5ms的时间间隔内所产生的时钟信号的个数来算出CPU实际频率。

Linux通过rdtscll()或rdtscl()用来读取TSC的事。

与可编程间隔定时器相比，TSC可以获得更精确的时钟。

2.3 可编程间隔定时器PIT

使用I/O端口0x40~0x43

LInux给PC的第一个PIT进行编程，使它以大于1000Hz的频率向IRQ0发出时钟中断，即每1ms产生一次时钟中断，这个时间间隔叫做一个节拍(tick)，它的长度以纳秒为单位存放在tick_nsec变量中。

由setup_pit_timer()进行初始化。在init_pit_timer()中初始化时钟中断频率。

与系统时钟信号有关的宏定义：

（1）宏定义Hz

在不同的体系机构下，系统时钟所要求的可编程定时器中断的频率，即每秒tick的个数

（2）宏定义CLOCK_TICK_RATE

记录了不同体系结构下，驱动可编程定时器工作的输入时钟频率

（3）宏定义LATCH

记录了上述两个宏定义的比值，用于在内核初始化过程中设置可编程定时器中计数器寄存器counter的初始值。

3 Linux计时体系结构

LInux的计时体系结构是一组与时间流相关的内核数据结构和函数。

功能：

• 更新自系统启动以来所经过的时间
• 更新时间和日期
• 确定当前进程的执行时间，考虑是否要抢占
• 更新资源使用统计计数
• 检查到期的软定时器

内核有两个基本的计时函数：

• 保持当前最新的时间
• 计算在当前秒内走过的纳秒数

在单处理器系统中，所有定时活动都由IRQ0上的时钟中断触发，包括：

• 在中断中立即执行的部分
• 作为下半部分延迟执行的部分

3.1 计时体系结构的数据结构

3.1.1定时器对象（时钟源）

为了使用一种统一的方法来处理可能存在的定时器资源，内核使用能够了“定时器对象”，它是timer_opts类型的一个描述符。其中最重要的两个方法：

mark_offset：由时钟中断处理程序调用，并以适当的数据结构记录每个节拍到来时的准确时间。

get_offset：使用已记录的值来计算上一次时钟中断（节拍）以来经过的时间。

这两种方法，使得Linuxd计时体系结构能够打到子节拍的分辨率，也就是说，内核能够以比节拍周期更高的精度来测定当前的时间，这种操作被称为“定时插补”。

在内核初始化期间，select_timer()函数设置cur_timer指向适当定时器对象（时钟源）的地址。变量timer_cur存放了某个定时器对应的那个的地址，该定时器是系统可利用的定时器资源中最好的。

3.1.2jiffies变量

一个计数器，用来记录自系统启动以来产生的节拍总数。

因为一秒钟内产生系统时钟中断次数等于宏定义HZ的值，所以变量jiffies的值在一秒内增加HZ。

3.1.3xtime变量

xtime变量存放当前时间和日期，它是一个timespec类型的数据结构。以便内核对某些对象和事件作时间标记，如记录文件的创建时间、修改时间、上次访问时间，或者供用户进程通过系统调用来使用。

基本每个tick更新一次。

3.2 单处理器系统上的计时体系结构

考点：tick_handle_periodic函数的功能（Linux的计时体系结构的功能）

tick_init调用clockevents_tegister_notifier注册tick_notifier到clockevents_chain上。

Update_wall_time()完成变量xtime的更新。

time_init_hook()来设置系统时钟中断处理程序。

在时钟中断处理函数中：

会调用tick_init函数，书上很多流程中的函数最终都是被这个函数所调用，流程如下：

4 软定时器和延迟函数

软定时器：

• 动态定时器（内核）
• 间隔定时器（可以用户）

动态定时器：被动态的创建和撤销，当前活动的动态定时器个数没有限制

定时器是一种软件功能，即允许在将来的某个时刻，函数在给定的时间间隔用完时被调用。每个定时器都包含一个字段，表示定时器将需要多长时间才到期。这个字段的初值就是jiffies的当前值加上合适的节拍数。

注意，对于必须严格遵守定时时间的那些实时应用而言，定时器并不适合，因为定时器的检查总是由可延迟函数进行。

4.1创建并激活一个动态定时器——init_timer初始化一个time_list对象

• 创建一个新的timer_list对象
• 调用init_timer初始化，并设置定时器要处理的函数和参数
• 设置定时时间
• 使用add_timer加入到合适的链表中

具体的步骤：

4.2动态定时器的数据结构

用于和系统核心变量jiffies进行比较。

• 成员变量function：该函数指针变量保存了内核定时器超时后要执行的函数，即定时器超时处理函数。
• 成员变量data：该无符号长整型变量用作定时器超时处理函数的参数。
• 成员变量base：该指针变量表明了该内核定时器节点归属于系统中哪一个处理器，在使用函数init_timer()初始化内核定时器节点的过程中，将该指针指向了一个每处理器变量tvec_bases的成员变量t_base。

4.3动态定时器的维护

run_timer的主要功能

• 定时器时间表示参数加一
• 处理的定时器去除
• 依次处理到期定时器

动态定时器应用之delayed work

动态定时器应用之schedule_timeout:  setup_time_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);  timer时间到了之后，process_timeout函数将当前进程变为等待态。

4.4延迟函数：

当内核需要等待一个较短的时间间隔，如几毫秒，通常设备驱动器会等待预先定义的整个微秒直到硬件完成某些操作。这些情况下，内核使用udelay()和ndelay()函数：前者接收一个微秒级的时间间隔作为它的参数，并在指定的延迟结束后返回，后者与前者类似，但是指定延迟的参数是纳秒级的。

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