第6章 定时测量

1. 作用

Linux内核的“定时测量”主要有两个作用：① 获取时间日期 ② 定时人物。

 

 

2. 时钟和定时器电路

① 实时时钟 RTC

• 独立电源（蓄电池）供电；Linux用来获取时间和日期

② 时间戳计数器 TSC 

• 和CPU频率绑定，每个时钟信号到来时+1
• 系统初始化期间算出CPU实际频率
• 便于测量间隔极小的时间
• CPU 动态调频时（比如节省功耗），TSC频率会发生改变，造成时间偏差或其他不良效果

③ 可编程定时间隔 PIT

• 永远以固定频率发出中断，比如1ms（1000Hz）
• 主要用来定时，精度低，但是总是存在

④ CPU 本地定时器 APIC

类似PIT，区别是：

• APIC计数器位数更多，可以产生更加低频的中断（定时最大间隔更大）
• APIC定时器把中断发给本地CPU，PIT为全局中断
• APIC 基于总线时钟信号机型定时器计数，PIT 内部有时钟振荡器

⑤ 高精度时间定时器 HPET

• Intel和MS联合研发，频率至少为10MHz，功能更全，精度更高，将会取代PIT
• 可以“把寄存器映射到内存空间”来对HPET芯片编程

⑥ ACPI 电源管理定时器

• 动态调频时，TSC不准，可以使用ACPI替代，精度还可以
• 也可以被HPET完全替代

 

 

3. Linux计时体系结构

使用上述硬件资源搭建的计时体系结构；

3.1 计时体系结构的数据结构

① 定时器对象 struct timer_opts

• mark_offset：记录上一个节拍的准确时间；时钟中断irq调用
• get_offset：自上一个节拍开始所经过的时间（us）
• monotonic_clock：自内核初始化开始所经过的ns
• 依托定时器优先级顺序：HPET > ACPI > TSC > PIT

② jiffies 变量

• 记录自系统启动以来产生的节拍数
• 32位变量，50天溢出
• 被初始化一个很大的值，5min溢出，以检查内核代码是否可以正常处理溢出
• 80x86系统中被声明为64位计数器（jiffies_64）的低32位，不用担心溢出
• 因为jiffies_64是由两个32位计数器组成，因此get_jiffies_64()需要xtime_lock顺序锁（seqlock）来保护
• 更新（写）jiffies_64时也需要xtime_lock保护

③ xtime 变量

• tv_sec：自1970.1.1 00:00（UTC）以来经过的秒数
• tv_nsec：自上一秒经过的ns数
• 大约1ms更新一次
• 内部同样需要xtime_lock保护

④ cur_timer

• 系统可利用的最好的定时器资源

 

3.2 初始化阶段相关定时器操作

• 从实时时钟RTC获取时间，填充给xtime
• 按照HPET > PIT的优先级，出发1000Hz的定时器中断IRQ 0
• 使能定时器中断处理程序timer_interrupt，并周期性调用

 

3.3 时钟中断处理程序 timer_interrupt()

• 在xtime_lock顺序锁上产生一个write_seqlock()，保护定时器变量
• 调用do_timer_interrupt()：jiffies_64++；update_times()更新系统日期时间；update_process_times()更新本地cpu统计数；
• write_sequnlock()释放顺序锁，并退出中断

 

3.4 更新时间和日期

也就是上面在中断处理程序timer_interrupt() -> do_timer_interrupt() 中调用的update_times()；：

① wall_jiffies <- jiffies： 更新wall_jiffies

② update_wall_times(ticks)： 更新xtime

 

 

4. 软定时器和延迟函数

4.1 动态定时器

① struct timer_list

动态定时器放在timer_list中，它们一一对应；

• struct list_head entry：该动态定时器所在的链表，用于将定时器插入双向循环链表中，并分组存放
• unsigned long expires：定时器到期时间，和jiffies比较判断是否到期
• void (*function) (unsigned long)：定时器到期执行的函数
• unsigned long data：定时器回调函数的入参
• tvec_base_t *base：用于动态定时器分组的结构体；分组后的定时器可以更快的找到即将执行的定时器
• spinlock_t lock

② 动态定时器用法

• 创建一个新的timer_list对象t
• init_timer(&t)初始化：① 把t.base置为NULL ② 把t.lock打开
• 填充function和data
• 如果定时器没有插入链表：给expires赋值，并把定时器插入链表
• 如果定时器插入了链表：修改合适的expires
• 定时器到期：内核自动把t从链表中删除，或干脆直接删除定时器
• 动态定时器到期之前，可以被撤销

③ 动态定时器与竞争条件

• 动态定时器作用的资源被丢弃：丢弃资源前，撤销定时器
• 动态定时器删除时，正在其他CPU上运行：改用del_timer_sync()

④ 动态定时器应用之一：nanosleep()系统调用

• 借助struct timer_list timer，通过schedule_timeout实现

 

4.2 延迟函数

• 包括udelay()和ndelay()
• 通过紧凑指令循环的loops此循环实现
• 依赖cur_timer定时器对象的delay方法，指向某个硬件计数器

 

 

5. 与定时测量相关的系统调用

5.1 gettimeofday()系统调用

① 返回自1970.1.1 00:00（UTC）以来经过的秒数，以及前1秒内走过的us数，存放在timeval结构体中

② struct timeval

• tv_sec
• tv_usec

和struct xtime非常接近，但是又不能直接获取，原因可以继续往下看。

③ 执行步骤

• 获取xtime_lock
• 通过get_offset()获取自上一次中断以来走过的us：usec = cur_timer->getoffset()
• 如果定时器中断丢失，则加上延迟：usec += (jiffies - wall_jiffies) * 1000
  至此usec还是表示上次中断以来走过的us数
• 位usec加上前一秒内走过的us数：usec += (xtime.tv_nsec / 1000)
• 赋值timeval结构体：
  tv->tv_sec = xtime->tv_sec
tv->usec = usec
• xtime_lock解锁
• 检查tv_sec是否溢出（前面的usec有可能溢出）：
  while (tv->tv_usec >= 1000 000) { tv->tv_usec -= 1000 000; tv->tv_sec++; }

“如果定时器中断丢失，则加上延迟：usec += (jiffies - wall_jiffies) * 1000”：

• 中断中会更新mark_offset，这个值很精确，但是保不准中断会丢失；
• 每次中断都会更新wall_jiffies = jiffies；jiffies记录着分辨率更高（精度或许一般？）的值，用来解决上次中断到现在的用时

④ settimeofday()

• 修改系统时间日期
• 没有改变RTC时钟值，重启会失效