一:前言
時鐘是整個操作系統的脈搏,它為進程的時間片調度,定時事件提供了依據.另外,用戶空間的很多操作都依賴於時鐘,例如select.poll,make.操作系統管理的時間為分兩種,一種稱為當前時間,也即我們日常生活所用的時間.這個時間一般保存在CMOS中.主板中有特定的芯片為其提供計時依據.另外一種時間稱為相對時間.例如系統運行時間.顯然對計算機而然,相對時間比當前時間更為重要.
二:與時鐘有關的硬件處理.
1):實時時鐘(RTC)
該時鐘獨立於CPU和其它芯片.即使PC斷電,該時鐘還是繼續運行.該計時由一塊單獨的芯片處理,並把時鐘值存放CMOS.該時間可參在IRQ8上周期性的產生時間信號.頻率在2Hz ~ 8192Hz之間.但在linux中,只是用RTC來獲取當前時間.
2):時間戳計時器(TSC)
CPU附帶了一個64位的時間戳寄存器,當時鐘信號到來的時候.該寄存器內容自動加1
3):可編程中斷定時器(PIC)
該設備可以周期性的發送一個時間中斷信號.發送中斷信號的間隔可以對其進行編程控制.在linux系統中,該中斷時間間隔由HZ表示.這個時間間隔也被稱為一個節拍(tick).
4):CPU本地定時器
在處理器的本地APIC還提供了另外的一定定時設備.CPU本地定時器也可以單次或者周期性的產生中斷信號.與上次描述的PIC相比.它有以下幾點的區別:
APIC本地計時器是32位.而PIC是16位.由此APIC本地計時器可以提供更低頻率的中斷信號
本地APIC只把中斷信號發送給本地CPU.而PIC發送的中斷信號任何CPU都可以處理
APIC定時器是基於總線時鐘信號的.而PIC有自己的內部時鐘振蕩器
5):高精度計時器(HPET)
在linux2.6中增加了對HPET的支持.HPET是一種由微軟和intel聯合開發的新型定時芯片.該設備有一組寄時器,每個寄時器對應有自己的時鐘信號,時鐘信號到來的時候就會自動加1.
實際上,在intel多理器系統與單處理器系統還有所不同:
在單處理系統中.所有計時活動過由PIC產生的時鐘中斷信號觸發的
在多處理系統中,所有普通活動是由PIC產生的中斷觸發.所有具體的CPU活動,都由本地APIC觸發的.
三:時鐘中斷相關代碼分析
time_init()是時鐘初始化函數,他由asmlinkage void __init start_kernel()調用.具體代碼如下:
//時鐘中斷初始化
void __init time_init(void)
{
//如果定義了HPET
#ifdef CONFIG_HPET_TIMER
if (is_hpet_capable()) {
/*
* HPET initialization needs to do memory-mapped io. So, let
* us do a late initialization after mem_init().
*/
late_time_init = hpet_time_init;
return;
}
#endif
//從cmos 中取得實時時間
xtime.tv_sec = get_cmos_time();
//初始化wall_to_monotonic
wall_to_monotonic.tv_sec = -xtime.tv_sec;
xtime.tv_nsec = (INITIAL_JIFFIES % HZ) * (NSEC_PER_SEC / HZ);
wall_to_monotonic.tv_nsec = -xtime.tv_nsec;
//選擇一個合適的定時器
cur_timer = select_timer();
printk(KERN_INFO "Using %s for high-res timesource\n",cur_timer->name);
//注冊時間中斷信號處理函數
time_init_hook();
}
該函數從cmos取得了當前時間.並為調整時間精度選擇了合適的定時器
轉入time_init_hook():
void __init time_init_hook(void)
{
//注冊中斷處理函數
setup_irq(0, &irq0);
}
Irq0定義如下:
static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, CPU_MASK_NONE, "timer", NULL, NULL};
對應的中斷處理函數為:timer_interrupt():
irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
//因為該函數會修改xtime的值,為避免多處理器競爭.先加鎖
write_seqlock(&xtime_lock);
//記錄上一次時間中斷的精確時間.做調准時鐘用
cur_timer->mark_offset();
do_timer_interrupt(irq, NULL, regs);
//解鎖
write_sequnlock(&xtime_lock);
return IRQ_HANDLED;
}
核心處理函數為 do_timer_interrupt():
static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id,
struct pt_regs *regs)
{
#ifdef CONFIG_X86_IO_APIC
if (timer_ack) {
spin_lock(&i8259A_lock);
outb(0x0c, PIC_MASTER_OCW3);
/* Ack the IRQ; AEOI will end it automatically. */
inb(PIC_MASTER_POLL);
spin_unlock(&i8259A_lock);
}
#endif
do_timer_interrupt_hook(regs);
//如果要進行時間同步,那就隔一段時間把當前時間寫回coms
if ((time_status & STA_UNSYNC) == 0 &&
xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660 &&
(xtime.tv_nsec / 1000)
>= USEC_AFTER - ((unsigned) TICK_SIZE) / 2 &&
(xtime.tv_nsec / 1000)
<= USEC_BEFORE + ((unsigned) TICK_SIZE) / 2) {
/* horrible...FIXME */
if (efi_enabled) {
if (efi_set_rtc_mmss(xtime.tv_sec) == 0)
last_rtc_update = xtime.tv_sec;
else
last_rtc_update = xtime.tv_sec - 600;
} else if (set_rtc_mmss(xtime.tv_sec) == 0)
last_rtc_update = xtime.tv_sec;
else
last_rtc_update = xtime.tv_sec - 600; /* do it again in 60 s */
}
#ifdef CONFIG_MCA
if( MCA_bus ) {
/* The PS/2 uses level-triggered interrupts. You can't
turn them off, nor would you want to (any attempt to
enable edge-triggered interrupts usually gets intercepted by a
special hardware circuit). Hence we have to acknowledge
the timer interrupt. Through some incredibly stupid
design idea, the reset for IRQ 0 is done by setting the
high bit of the PPI port B (0x61). Note that some PS/2s,
notably the 55SX, work fine if this is removed. */
irq = inb_p( 0x61 ); /* read the current state */
outb_p( irq|0x80, 0x61 ); /* reset the IRQ */
}
#endif
}
我們忽略選擇編譯部份,轉到do_timer_interrupt_hook()
static inline void do_timer_interrupt_hook(struct pt_regs *regs)
{
do_timer(regs);
/*
* In the SMP case we use the local APIC timer interrupt to do the
* profiling, except when we simulate SMP mode on a uniprocessor
* system, in that case we have to call the local interrupt handler.
*/
#ifndef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
//更新內核代碼監管器。在每次時鐘中斷的時候。取得每一次中斷前的esp，進而可以得到運行的函//數地址。這樣就可以統計運行時間最長的函內核函數區域。以便於內核管理者優化
profile_tick(CPU_PROFILING, regs);
#else
if (!using_apic_timer)
smp_local_timer_interrupt(regs);
#endif
}
這裡有幾個重要的操作.先看do_timer():
void do_timer(struct pt_regs *regs)
{
// 更新jiffies計數.jiffies_64與jiffies在鏈接的時候,實際是指向同一個區域
jiffies_64++;
#ifndef CONFIG_SMP
/* SMP process accounting uses the local APIC timer */
//更新當前運行進程的與時鐘相關的信息
update_process_times(user_mode(regs));
#endif
//更新當前時間.xtime的更新
update_times();
}
Update_process_times（）代碼如下:
void update_process_times(int user_tick)
{
struct task_struct *p = current;
int cpu = smp_processor_id(), system = user_tick ^ 1;
update_one_process(p, user_tick, system, cpu);
//激活時間軟中斷
run_local_timers();
//減少時間片。這個函數涉及到的東西過多，等到進程調度的時候再來分析。請關注本站更新*^_^*
scheduler_tick(user_tick, system);
}
先看update_one_process():
static void update_one_process(struct task_struct *p, unsigned long user,在這裡簡單介紹一下do_it_virt()與do_it_prof():
unsigned long system, int cpu)
{
do_process_times(p, user, system);
//檢查進程的定時器
do_it_virt(p, user);
do_it_prof(p);
}
這兩個函數主要檢查用戶空間的進程定時器是否到期.在進程的內存描述符有相關的字段.如下:
struct task_struct｛
⋯⋯
unsigned long it_real_value, it_prof_value,it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_incr;
struct timer_list real_timer;
⋯⋯
}
（1）真實間隔定時器（ITIMER_REAL）：這種間隔定時器在啟動後，不管進程是否運行，每個時鐘滴答都將其間隔計數器減1。當減到0值時，內核向進程發送SIGALRM信號。結構類型task_struct中的成員it_real_incr則表示真實間隔定時器的間隔計數器的初始值，而成員it_real_value則表示真實間隔定時器的間隔計數器的當前值。由於這種間隔定時器本質上與上一節的內核定時器時一樣的，因此Linux實際上是通過real_timer這個內嵌在task_struct結構中的內核動態定時器來實現真實間隔定時器ITIMER_REAL的。
（2）虛擬間隔定時器ITIMER_VIRT：也稱為進程的用戶態間隔定時器。結構類型task_struct中成員it_virt_incr和it_virt_value分別表示虛擬間隔定時器的間隔計數器的初始值和當前值，二者均以時鐘滴答次數位計數單位。當虛擬間隔定時器啟動後，只有當進程在用戶態下運行時，一次時鐘滴答才能使間隔計數器當前值it_virt_value減1。當減到0值時，內核向進程發送SIGVTALRM信號（虛擬鬧鐘信號），並將it_virt_value重置為初值it_virt_incr。具體請見7.4.3節中的do_it_virt()函數的實現。
（3）PROF間隔定時器ITIMER_PROF：進程的task_struct結構中的it_prof_value和it_prof_incr成員分別表示PROF間隔定時器的間隔計數器的當前值和初始值（均以時鐘滴答為單位）。當一個進程的PROF間隔定時器啟動後，則只要該進程處於運行中，而不管是在用戶態或核心態下執行，每個時鐘滴答都使間隔計數器it_prof_value值減1。當減到0值時，內核向進程發送SIGPROF信號，並將it_prof_value重置為初值it_prof_incr.
Do_process_times():
static inline void do_process_times(struct task_struct *p,
unsigned long user, unsigned long system)
{
unsigned long psecs;
//p->utime:在用戶空間所花的時間
psecs = (p->utime += user);
//p->stime:在系統空間所花的時間
psecs += (p->stime += system);
//如果運行的時間片到達
if (psecs / HZ >= p->rlim[RLIMIT_CPU].rlim_cur) {
/* Send SIGXCPU every second.. */
//每秒發送一個SIGXCPU
if (!(psecs % HZ))
send_sig(SIGXCPU, p, 1);
/* and SIGKILL when we go over max.. */
//發送SIGKILL
if (psecs / HZ >= p->rlim[RLIMIT_CPU].rlim_max)
send_sig(SIGKILL, p, 1);
}
}
該函數檢查當前進程的時間片是否到達,如果到達就給當前進程發送SIGKILL和SIGXCPU
do_it_virt()/do_it_prof()檢查過程的定時器是否到期.如果到期就給進程發送相應的信號:
static inline void do_it_virt(struct task_struct * p, unsigned long ticks)
{
unsigned long it_virt = p->it_virt_value;
if (it_virt) {
it_virt -= ticks;
if (!it_virt) {
it_virt = p->it_virt_incr;
//發送SIGVTALRM
send_sig(SIGVTALRM, p, 1);
}
p->it_virt_value = it_virt;
}
}
返回到update_process_times()的其它函數:
run_local_timers()
void run_local_timers(void)
{
raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);
}
激活時間軟中斷.這個函數我們在IRQ中斷中已經分析過了,不再贅述
我們在do_timer（）還漏掉了一個函數：
static inline void update_times(void)
{
unsigned long ticks;
//wall_jiffies:上一次更新的值
ticks = jiffies - wall_jiffies;
if (ticks) {
wall_jiffies += ticks;
//更新xtime
update_wall_time(ticks);
}
//統計TASK_RUNNING TASK_UNINTERRUPTIBLE進程數量
calc_load(ticks);
}
四：定時器
在模塊的編寫過程中，我們經常使用定時器來等待一段時間之後再來執行某一個操作。為方便分析，寫了下列一段測試程序：
#include <linux/config.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/timer.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
void test_timerfuc(unsigned long x)
{
printk("Eric xiao test ......\n");
}
//聲明一個定個器
struct timer_list test_timer = TIMER_INITIALIZER(test_timerfuc, 0, 0);
int kernel_test_init()
{
printk("test_init\n");
//修改定時器到期時間。為3個HZ。一個HZ產生一個時鐘中斷
mod_timer(&test_timer,jiffies+3*HZ);
//把定時器加入時鐘軟中斷處理鏈表
add_timer(&test_timer);
}
int kernel_test_exit()
{
printk("test_exit\n");
return 0;
}
module_init(kernel_test_init);
module_exit(kernel_test_exit);
上面的例子程序比較簡單，我們從這個例子開始研究linux下的定時器實現。
TIMER_INITIALIZER（）：
1):TIMER_INITIALIZER（）用來聲明一個定時器，它的定義如下：
#define TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data) { \
.function = (_function), \
.expires = (_expires), \
.data = (_data), \
.base = NULL, \
.magic = TIMER_MAGIC, \
.lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED, \
}
Struct timer_list定義如下：
struct timer_list {
//用來形成鏈表
struct list_head entry;
//定始器到達時間
unsigned long expires;
spinlock_t lock;
unsigned long magic;
//定時器時間到達後，所要運行的函數
void (*function)(unsigned long);
//定時器函數對應的參數
unsigned long data;
//掛載這個定時器的tvec_t_base_s.這個結構我們等會會看到
struct tvec_t_base_s *base;
};
從上面的過程中我們可以看到TIMER_INITIALIZER（）只是根據傳入的參數初始化了struct timer_list結構.並把magic 成員初始化成TIMER_MAGIC
2): mod_timer():修改定時器的到時時間
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
{
//如果該定時器沒有定義fuction
BUG_ON(!timer->function);
//判斷timer的magic是否為TIMER_MAGIC.如果不是,則將其修正為TIMER_MAGIC
check_timer(timer);
//如果要調整的時間就是定時器的定時時間而且已經被激活,則直接返回
if (timer->expires == expires && timer_pending(timer))
return 1;
//調用_mod_timer().呆會再給出分析
return __mod_timer(timer, expires);
}
3): add_timer()用來將定時器掛載到定時軟中斷隊列,激活該定時器
static inline void add_timer(struct timer_list * timer)
{
__mod_timer(timer, timer->expires);
}
可以看到mod_timer與add_timer 最後都會調用__mod_timer().為了分析這個函數,我們先來了解一下定時系統相關的數據結構.
tvec_bases: per cpu變量,它的定義如下:
static DEFINE_PER_CPU(tvec_base_t, tvec_bases) = { SPIN_LOCK_UNLOCKED };
由此可以看到tves_bases的數型數據為teves_base_t.數據結構的定義如下:
typedef struct tvec_t_base_s tvec_base_t;
struct tvec_t_base_s的定義:
struct tvec_t_base_s {
spinlock_t lock;
//上一次運行計時器的jiffies 值
unsigned long timer_jiffies;
struct timer_list *running_timer;
//tv1 tv2 tv3 tv4 tv5是五個鏈表數組
tvec_root_t tv1;
tvec_t tv2;
tvec_t tv3;
tvec_t tv4;
tvec_t tv5;
} ____cacheline_aligned_in_smp;
Tves_root_t與tvec_t的定義如下:
#define TVN_BITS 6
#define TVR_BITS 8
#define TVN_SIZE (1 << TVN_BITS)
#define TVR_SIZE (1 << TVR_BITS)
#define TVN_MASK (TVN_SIZE - 1)
#define TVR_MASK (TVR_SIZE - 1)
typedef struct tvec_s {
struct list_head vec[TVN_SIZE];
} tvec_t;
typedef struct tvec_root_s {
struct list_head vec[TVR_SIZE];
} tvec_root_t;
系統規定定時器最大超時時間間隔為0xFFFFFFFF.即為一個32位數.即使在64位系統上.如果超過此值也會將其強制設這oxFFFFFFFF(這在後面的代碼分析中可以看到).內核最關心的就是間隔在0~255個HZ之間的定時器.次重要的是間隔在255~1<<(8+6)之間的定時器.第三重要的是間隔在1<<(8+6) ~ 1<<(8+6+6)之間的定器.依次往下推.也就是把32位的定時間隔為份了五個部份.1個8位.4個6位.所以內核定義了五個鏈表數組.第一個鏈表數組大小為8位大小,也即上面定義的 #define TVR_SIZE (1 << TVR_BITS).其它的四個數組大小為6位大小.即上面定義的#define TVN_SIZE (1 << TVN_BITS)
在加入定時器的時候,按照時間間隔把定時器加入到相應的數組即可.了解這點之後,就可以來看__mod_timer()的代碼了:
//修改timer或者新增一個timer都會調用此接口
int __mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
{
tvec_base_t *old_base, *new_base;
unsigned long flags;
int ret = 0;
//入口參數檢測
BUG_ON(!timer->function);
check_timer(timer);
spin_lock_irqsave(&timer->lock, flags);
//取得當前CPU對應的tvec_bases
new_base = &__get_cpu_var(tvec_bases);
repeat:
//該定時器所在的tvec_bases.對於新增的timer.它的base字段為NULL
old_base = timer->base;
/*
* Prevent deadlocks via ordering by old_base < new_base.
*/
//在把timer從當前tvec_bases摘下來之前,要充分考慮好競爭的情況
if (old_base && (new_base != old_base)) {
//按次序獲得鎖
if (old_base < new_base) {
spin_lock(&new_base->lock);
spin_lock(&old_base->lock);
} else {
spin_lock(&old_base->lock);
spin_lock(&new_base->lock);
}
/*
* The timer base might have been cancelled while we were
* trying to take the lock(s):
*/
//如果timer->base != old_base.那就是說在Lock的時候.其它CPU更改它的值
//那就解鎖.重新判斷
if (timer->base != old_base) {
spin_unlock(&new_base->lock);
spin_unlock(&old_base->lock);
goto repeat;
}
} else {
//old_base == NULl 或者是 new_base==old_base的情況
//獲得鎖
spin_lock(&new_base->lock);
//同理,在Lock的時候timer會生了改變
if (timer->base != old_base) {
spin_unlock(&new_base->lock);
goto repeat;
}
}
/*
* Delete the previous timeout (if there was any), and install
* the new one:
*/
//將其從其它的tvec_bases上刪除.注意運行到這裡的話,說話已經被Lock了
if (old_base) {
list_del(&timer->entry);
ret = 1;
}
//修改它的定時器到達時間
timer->expires = expires;
//將其添加到new_base中
internal_add_timer(new_base, timer);
//修改base字段
timer-base = new_base;
//操作完了,解鎖
if (old_base && (new_base != old_base))
spin_unlock(&old_base->lock);
spin_unlock(&new_base->lock);
spin_unlock_irqrestore(&timer->lock, flags);
return ret;
}
