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linux动态时钟探索
在早期的linux内核版本的时间概念都是由周期时钟提供的。虽然比较有效，但是，对于关注能耗电量的系统上，就不能满足长时间休眠的需求，因为周期系统要求必须在一定的频率下，周期性的处于活动状态。因此，linux提出了tickless system，即无时钟系统。其关键就是判定系统当前是否无事可做，若是则禁用时钟系统。判定系统当前无事可做的依据是：如果运行队列时没有活动进程，内核将选择idle进程来运行，而此时动态时钟发挥作用。
一、动态时钟使用的数据结构tick_sched
1 struct tick_sched { 2 struct hrtimer sched_timer;//用于实现时钟的定时器 3 unsigned long check_clocks; 4 enum tick_nohz_mode nohz_mode; 5 ktime_t idle_tick;//禁用周期时钟之前，上一个时钟信号到期时间。 6 int inidle; 7 int tick_stopped;//周期时钟是否已经停用，若停用，则置为1 8 unsigned long idle_jiffies;//存储周期时钟禁用时的jiffy值 9 unsigned long idle_calls;//内核试图停用周期时钟次数。10 unsigned long idle_sleeps;//成功停用周期时钟次数。11 int idle_active;12 ktime_t idle_entrytime;13 ktime_t idle_waketime;14 ktime_t idle_exittime;15 ktime_t idle_sleeptime;//周期时钟上一次禁用的准确时间16 ktime_t idle_lastupdate;17 ktime_t sleep_length;//周期时钟禁用的时间长度18 unsigned long last_jiffies;19 unsigned long next_jiffies;//下一个定时器到期的jiffy值20 ktime_t idle_expires;//下一个将到期的经典定时器到期时间的jiffy值21 int do_timer_last;22 }
二、低分辨率下的动态时钟
每个定时软中断中会判断是否启用动态时钟，具体调用序列如下：
run_timer_softirq--》hrtimer_run_pending--》tick_check_oneshot_change--》tick_nohz_switch_to_nohz
而其tick_nohz_switch_to_nohz具体实现如下：
1 static void tick_nohz_switch_to_nohz(void) 2 { 3 struct tick_sched *ts = &__get_cpu_var(tick_cpu_sched); 4 ktime_t next; 5 if (!tick_nohz_enabled)//若没有启动动态时钟直接返回 6 return; 7 local_irq_disable(); 8 if (tick_switch_to_oneshot(tick_nohz_handler)) {//切换时钟设备的处理函数为tick_nohz_switch_to_nohz 9 local_irq_enable();10 return;11 }12 ts->nohz_mode = NOHZ_MODE_LOWRES;//设置为低分辨率13 /*14 * Recycle the hrtimer in ts, so we can share the15 * hrtimer_forward with the highres code.16 */17 //更新jiffy值18 hrtimer_init(&ts->sched_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_ABS);19 /* Get the next period */20 next = tick_init_jiffy_update();21 //设置下一个时钟事件22 for (;;) {23 hrtimer_set_expires(&ts->sched_timer, next);24 if (!tick_program_event(next, 0))25 break;26 next = ktime_add(next, tick_period);27 }28 local_irq_enable();29 printk(KERN_INFO "Switched to NOHz mode on CPU #%d\n",30 smp_processor_id());31 }
View Code1 static void tick_nohz_handler(struct clock_event_device *dev) 2 { 3 struct tick_sched *ts = &__get_cpu_var(tick_cpu_sched); 4 struct pt_regs *regs = get_irq_regs(); 5 int cpu = smp_processor_id(); 6 ktime_t now = ktime_get(); 7 dev->next_event.tv64 = KTIME_MAX; 8 //设置当前cpu负责全局时钟设备 9 if (unlikely(tick_do_timer_cpu == TICK_DO_TIMER_NONE))10 tick_do_timer_cpu = cpu;11 //若是全局时钟设备，则更新jiffy值12 if (tick_do_timer_cpu == cpu)13 tick_do_update_jiffies64(now);14 //若是启动禁用全局时钟，则更新watchdog的时间戳15 if (ts->tick_stopped) {16 touch_softlockup_watchdog();17 ts->idle_jiffies++;18 }19 update_process_times(user_mode(regs));20 profile_tick(CPU_PROFILING);21 //定时下一个时钟周期，并且更新jiffy22 while (tick_nohz_reprogram(ts, now)) {23 now = ktime_get();24 tick_do_update_jiffies64(now);25 }26 }
更新jiffy值tick_do_update_jiffies64得具体实现如下：
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1 static void tick_do_update_jiffies64(ktime_t now) 2 { 3 ...... 4 //更新经过的jiffy时间，判断是否在一个周期内，若是则直接返回 5 delta = ktime_sub(now, last_jiffies_update); 6 if (delta.tv64 < tick_period.tv64) 7 return; 8 //计算经过的jiffy差值，判断是否大于一个周期，若是大于，则先更新一个周期的jiffy值 9 delta = ktime_sub(now, last_jiffies_update);10 if (delta.tv64 >= tick_period.tv64) {11 delta = ktime_sub(delta, tick_period);12 last_jiffies_update = ktime_add(last_jiffies_update,13 tick_period);14 //若是大于一个周期，则再计算差值，再加上这个差值的jiffy值15 /* Slow path for long timeouts */16 if (unlikely(delta.tv64 >= tick_period.tv64)) {17 s64 incr = ktime_to_ns(tick_period);18 ticks = ktime_divns(delta, incr);19 last_jiffies_update = ktime_add_ns(last_jiffies_update,20 incr * ticks);21 }22 do_timer(++ticks);23 //更新下一个周期的jiffy值24 /* Keep the tick_next_period variable up to date */25 tick_next_period = ktime_add(last_jiffies_update, tick_period);26 }27 write_sequnlock(&xtime_lock);28 }
三、高分辨率下的动态时钟
高分辨率下的动态时钟实现比较容易，具体涉及的地方如下：
1、确定全局时钟的责任，在tick_sched_timer中，如下：
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1 #ifdef CONFIG_NO_HZ 2 /* 3 * Check if the do_timer duty was dropped. We don‘t care about 4 * concurrency: This happens only when the cpu in charge went 5 * into a long sleep. If two cpus happen to assign themself to 6 * this duty, then the jiffies update is still serialized by 7 * xtime_lock. 8 */ 9 if (unlikely(tick_do_timer_cpu == TICK_DO_TIMER_NONE))10 tick_do_timer_cpu = cpu;11 #endif
2、宣布高精度定时器下启用动态时钟，在tick_setup_sched_timer函数中，如下：
1 #ifdef CONFIG_NO_HZ
2 if (tick_nohz_enabled)
3 ts->nohz_mode = NOHZ_MODE_HIGHRES;
4 #endif
三、前面介绍的是在高低分辨率情况下，对动态时钟的支持，也即如何做一些更新jiffy类的操作。那么，何时启用和禁止时钟呢？前面已经说过，就是在idle任务中完成这样的操作，因为各个架构内容不同，但原理类似。我们举x86下面的实现片段，如下：
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1 void cpu_idle(void) 2 { 3 ...... 4 /* endless idle loop with no priority at all */ 5 while (1) { 6 tick_nohz_stop_sched_tick(1);//停止时钟 7 while (!need_resched()) { 8 ...... 9 //pm_idle的实现依赖具体架构而定，x86支持的一种实现是mwait实现，这种实现真正的是haunt住cpu，cpu切实不运转了，可以实现节能的目的，而ARM上可以使用wfi指令，cpu也haunt住，通过中断可以唤醒。10 /* Don‘t trace irqs off for idle */11 stop_critical_timings();12 pm_idle();//节能的关键部分13 start_critical_timings();14 }15 tick_nohz_restart_sched_tick();//启动时钟16 preempt_enable_no_resched();17 schedule();//调度切换18 preempt_disable();19 }20 }
而停止时钟tick_nohz_stop_sched_tick的本质实现：检查下一个定时器事件是否在一个时钟之后，若是，则重新编程时钟设备，忽略下一个时钟周期信号，直至有必要时候才恢复，而且在tick_sched中更新统计信息。重启时钟的原理也很简单，在此不再累述。
四、介绍一下广播模式
在某些省电模式启用时，时候总时间设备进入睡眠，而系统中不只有一个时钟事件设备，仍然可用另一个可工作的设备替换停止设备。在这种情况下，APIC是不工作的，但广播设备仍然可以工作，tick_handle_periodic_broadcast用作事件处理程序，该程序在每个tick_period之后。下面介绍tick_handle_periodic_broadcast的具体实现，如下：
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1 static void tick_handle_periodic_broadcast(struct clock_event_device *dev) 2 { 3 ktime_t next; 4 tick_do_periodic_broadcast(); 5 /* 6 * The device is in periodic mode. No reprogramming necessary: 7 */ 8 if (dev->mode == CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC)//必须为oneshot模式 9 return;10 /*11 * Setup the next period for devices, which do not have12 * periodic mode. We read dev->next_event first and add to it13 * when the event alrady expired. clockevents_program_event()14 * sets dev->next_event only when the event is really15 * programmed to the device.16 */17 for (next = dev->next_event; ;) {18 next = ktime_add(next, tick_period);19 //重新编程下一个事件20 if (!clockevents_program_event(dev, next, ktime_get()))21 return;22 tick_do_periodic_broadcast();//处理本cpu事件和向其他cpu发送ipi中断，从而调用其他cpu的事件处理程序23 }24 }
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1 static void tick_do_broadcast(struct cpumask *mask) 2 { 3 int cpu = smp_processor_id(); 4 struct tick_device *td; 5 //调用本cpu的事件处理程序 6 if (cpumask_test_cpu(cpu, mask)) { 7 cpumask_clear_cpu(cpu, mask); 8 td = &per_cpu(tick_cpu_device, cpu); 9 td->evtdev->event_handler(td->evtdev);10 }11 if (!cpumask_empty(mask)) {12 //向其他cpu发送ipi中断13 td = &per_cpu(tick_cpu_device, cpumask_first(mask));14 td->evtdev->broadcast(mask);15 }16 }
向其他cpu发送ipi中断实现如下：
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1 static void lapic_timer_broadcast(const struct cpumask *mask)2 {3 #ifdef CONFIG_SMP4 apic->send_IPI_mask(mask, LOCAL_TIMER_VECTOR);5 #endif6 }
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