linux时间子系统（一）

简单介绍linux下的时间子系统。包括clocksource，timekeeper和定时器的内容。

1、简介

时间子系统是操作系统不可或缺的一个重要组成部分。Linux的时间子系统的功能包含两部分，分别是保存当前时间和维持定时器。如下图所示，在Linux内核的通用时间框架中，使用timekeeper来维护当前时间，使用tick_device或者hrtimer来处理定时器的功能。之后我们将讨论一下timekeeper部分和定时器部分在内核中的实现和使用。

 

2、timekeeper

2.1 clocksource

在硬件层，时钟源通常是一个以固定时钟频率驱动的计数器，计数器只能单调增加，直到溢出为止。而在Linux内核中，使用clocksource结构完成对时钟源的封装。在clocksource结构中，记录了与时钟源有关的信息，包括频率，精度以及返回值为cycle_t类型的回调函数。通过回调函数，我们可以获取在某一时刻，时钟源硬件中的计数值。下面通过分析clocksource结构，了解clocksource的工作原理。

2.1.1 struct clocksource

struct clocksource {

        /*

         * Hotpath data, fits in a single cache line when the

         * clocksource itself is cacheline aligned.

         */

        cycle_t (*read)(struct clocksource *cs);

        cycle_t cycle_last;

        cycle_t mask;

        u32 mult;

        u32 shift;

        u64 max_idle_ns;

 

#ifdef CONFIG_IA64

        void *fsys_mmio;        /* used by fsyscall asm code */

#define CLKSRC_FSYS_MMIO_SET(mmio, addr)      ((mmio) = (addr))

#else

#define CLKSRC_FSYS_MMIO_SET(mmio, addr)      do { } while (0)

#endif

        const char *name;

        struct list_head list;

        int rating;

        cycle_t (*vread)(void);

        int (*enable)(struct clocksource *cs);

        void (*disable)(struct clocksource *cs);

        unsigned long flags;

        void (*suspend)(struct clocksource *cs);

        void (*resume)(struct clocksource *cs);

 

#ifdef CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG

        /* Watchdog related data, used by the framework */

        struct list_head wd_list;

        cycle_t cs_last;

        cycle_t wd_last;

#endif

} ____cacheline_aligned;

   只需要关注clocksource的几个重要字段，就能初步了解clocksource的工作原理。

2.1.1.1 rating

rating，表示时钟源的精度。在同一台设备中，可以有多个时钟源，时钟源的精度与其时钟频率有关，频率越高，时钟源的rating值越大。rating值代表着该时钟源的精度范围，取值范围如下：

* 0-99： 不适合用作实际的时钟源，只用于启动过程或用于测试。

* 100-199： 基本可用，可用作真实的时钟源，但不推荐。

* 200-299： 精度较好，可用做真实的时钟源。

* 300-399： 很好，精确的时钟源。

* 400-499： 理想的时钟源，如有可能，必须选择它作为时钟源。*/

2.1.1.2 read回调函数

时钟源本身不会产生中断。要获取时钟源的计数值，只能通过主动调用其read回调函数，来获取当前时钟源的计数值。read回调函数的实现，就是读取时钟源的相关寄存器，获取其中的计数值。

2.1.1.3 mult和shift

由于使用read函数只能从时钟源硬件中获取一个cycle计数值，如果我们需要将其转换为时间，则需要知道当前时钟源的时钟频率F。这样t=cycle/F就可以将计数值转换为时间。在时钟源初始化时，可以从时钟源的寄存器中得到频率F的值，但是由于内核中不支持浮点运算，所以内核使用乘法和移位操作来取代除法操作。使用公式t=(cycle * mult) >> shift来替代t=cycle/F，把计数值转化为时间。

从转换精度考虑，mult的值越大越好。但是为了计算过程中cycle*mult不发生溢出，mult的值不能取值过大。为此内核假设cycle计数值被转换后的最大时间值为10分钟，主要的考虑是CPU进入IDLE状态后，时间信息不会被更新。只要在10分钟内退出IDLE状态，时钟源的cycle计数值就可以被正确的转换为相应的时间，然后系统时间可以被正确的更新。这个值不一定是10分钟，它由函数clocksource_max_deferment进行计算，并保存到max_idle_ns字段中。这里，我们使用10分钟这个假设值，推算出合适的mult和shift的值。

2.1.1.4 max_idle_ns

使用函数clocksource_max_deferment计算出合理的max_idle_ns的值。在内核中，tickless的代码要考虑这个值，以防止在NO_HZ配置环境下，系统保持IDLE状态时间过长，导致溢出。

2.1.1.5 cycle_last

  字段cycle_last记录了上一次调用read回调函数获取的cycle的大小。这样，我们就可以知道当前时刻和最近一次调用read回调函数的时间差。

 

 

（未完待续。。。）