【原创】解BUG-xenomai内核与linux内核时间子系统之间存在漂移

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一、问题起源

何为漂移？举个例子两颗32.768kHz晶振\(C_1\)和\(C_2\)，由于制造工艺原因或者使用时温度、辅助元件参数等影响，与他们的实际频率一定不是相同的，与32.768kHz有不同的偏差，假如\(C_1\)实际使用时频率32.766kHz，\(C_2\)实际频率32.770kHz。

假如有那么两个电子手表，使用32.768kHz晶振，每来一个脉冲寄存器计数加1，我们通过这个电路来获取时间，这样计算1s的时间寄存器里应该是32.768kHz（我们认为我们的晶振是没问题的嘛）。好现在用\(C_1\)来计数就会使我们得到的时间比真实1S长\(\frac{1}{2000}=0.0005\)秒，这样下来这个手表会越走越快，即与真实时间的偏移越来越大。同样\(C_2\)得到的时间比真实1S短\(0.0005\)秒，越走越慢。

两个手表在它们的计时周期（这里举例1秒）存在的偏差就是漂移。

X86平台上，linux 4.4.xx之后的版本构建的xenomai，出现linux内核与xenomai内核两者时钟存在漂移，打xenomai补丁之后，有两个内核分别有各自的时间子系统，只不过xenomai掌管着底层的硬件timer-event的中断触发设置和处理,linux时间子系统的触发源就退化为xenomai时间子系统管理的软件timer了（linux是xenomai的idle任务嘛，当然要xenomai来提供时钟），本质上它们还是使用同一个硬件timer源。

此问题解决时本人还未阅读xenomai的时间子系统相关源码，所以其中有些解释现在看起来·只见树木不见森林·，懒得改了，关于xenomai的时间子系统后续会有分析文章，敬请关注！！！。

构建xenomai系统后，linux内核与xenomai内核两个时间子系统之间的时间漂移可通过xenomai库编译出的工具clocktest来查看，其中的dirft列就是表示该cpu上两个内核之间的时间漂移。如下：

回到问题本身，xenomai来常用来运行ethercat主站（这里使用的是acontis EtherCAT主站），DC模式下以主站作为参考时钟时运行时，出现的现象是从站一直同步不上，导致整个EtherCAT无法正常启动。在使用从站作为参考时钟时出现同步频繁同步校准；

下面分析问题：主站由xenomai实时调度，ethercat主站工作过程中使用的是xenomai时间子系统根据底层硬件timer计算得到的时间，ethercat主站在这个时间上去同步参考时钟，增加或减少偏移量。先不管硬件timer与真实时间的偏移，非常小先忽略，这不是重点，两个内核都使用这个硬件timer，现在出现的问题是两个内核对同一硬件timer的度量不一致，才会存在漂移。

由此可以推断出xenomai时间子系统对硬件timer的度量计算有问题,下面开始从一步步挖掘分析。

二、 clocktest工具分析

clocktest工具主要用于测试xenomai 时钟（CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW、CLOCK_HOST_REALTIME、coreclk默认CLOCK_REALTIME），相对于Linux绝对时钟CLOCK_MONOTONIC之间的漂移,clocktest首先为每个CPU创建一个线程cpu_thread，并固定到相应CPU上执行，cpu_thread测试原理为：

1. 找一个时间点作为测试起始点，此时xenomai时间表示为first_clock，Linux绝对时钟时间表示为first_tod，它们均为一个数，单位纳秒ns。

2. 让测量任务睡眠，睡眠时间是一个范围的随机数，睡眠范围为：[1000000, 200000)纳秒(这里的睡眠时间至少1000000是因为读取linux时钟的函数（SYS_gettimeofday）精度只能读取到us级，而xenomai读取到的时间为ns级，为了使差距与us对齐，所以至少经过1ms，简而言之计算周期1ms单位的漂移)。

3. 读取睡眠后的各自时钟的计数值，读取xenomai时钟读取到的值为clock_val，Linux时间计数值为first_tod同样的时间段，xenomai时钟计数为clock_val-first_clock，Linux时间计数值tod_val-first_tod；这个时间段的偏移率为：

   \[\frac{clock\_val-first\_clock}{tod\_val-first\_tod}-1 \]

   

三、 读linux时钟时间

在clock工具中读取Linux参考时钟时间使用系统调用syscall(SYS_gettimeofday, &tv, NULL);

系统函数do_gettimeofday()读取全局时钟timekeeper的值xtime_sec，然后加上系统上一个tick到此时的纳秒数nsece，nsece是直接调用timekeeper使用的clocksouse对应的读函数读取clocksouse counter计算得到的，也可看到底层读取到的精度是纳秒级的，只不过在上一个函数将精度丢弃了。

四、 读xenomai时钟时间

在clock工具中读取xenomai时钟时间的函数是static inline uint64_t read_clock(clockid_t clock_id);

read_clock()函数调用系统调用函数clock_gettime()，这是一个POSIX标准函数，在xenomai中kernel\xenomai\posix\clock.c实现如下：

clock_gettime()继续调用__cobalt_clock_gettime()来获取时钟，在colocktest中传入的参数是：CLOCK_REALTIME。进而调用内核函数xnclock_read_realtime (struct xnclock *clock)读取时间，再通过ns2ts函数将读取的到的纳秒转换为需要的timespec结构体中的tv_sec和tv_nsec：

xnclock_read_realtime返回 nkclock的时间加上一个与wallclock的偏移(clock->wallclock_offset), (nkclock是xenomai的时钟源，类型为struct xnclock,当没有使用外部时钟时，时钟使用X86处理器中的TSC时钟（早期X86CPU中TSC与CPU的频率有关，现在的CPU TSC频率一般是固定的），当使用外部时钟作为xenomai的时钟时是另外一回事)。

xnclock_read_monotonic()最终调用xnclock_core_read_monotonic()函数：

xnclock_core_read_monotonic()函数中由xnclock_core_ticks_to_ns()函数将xnclock_core_read_raw()函数返回的TSC CPU tick数转换为纳秒ns返回，这就是读取的xenomai时钟时间。怎样获取CPU的TSC值呢？在X86处理器中有一条指令rdtsc用于读取TSC值 。

到这，整个xenomai时间读取流程完了，就是读取TSC的值，没其他的了，看似没有什么问题。难道真的x86中的TSC不准？注意到读取的TSC数值还需要转换才能得到时间，转换函数xnarch_llmulshft(),涉及到这两个变量tsc_scale,tsc_shift,怀疑是这两个值有问题，继续分析，那这两个值是干嘛用的？

当已知频率F，要将A个cycles数转换成纳秒，具体公式如下：

\[转换后的纳秒数 =\frac{A}{F}*1000000000 \]

这样的转换公式需要除法，绝大部分的CPU都有乘法器，但是有些处理器是不支持除法，虽然我们无法将除法操作的代码编译成一条除法的汇编指令，但是也可以用代码库中的其他运算来取代除法。这样做的坏处就是性能会受影响。把1/F变成浮点数，这样就可以去掉除法了，但是又引入了浮点运算，kernel是不建议使用浮点运算的。解决方案很简单，使用移位操作，具体可以参考clocksource_cyc2ns的操作：

通过TSC的xnclock_core_read_raw()函数获取了tick数目，乘以mult这个因子然后右移shift个bit就可以得到纳秒数。这样的操作虽然性能比较好，但是损失了精度（通过另外验证下面代码算出的值，以这台机器的2700M算出的值，带入2700Mcycle得1000000230ns，有200纳秒左右的偏移），还是那句话，设计是平衡的艺术，看你自己的取舍。

那tsc_scale,tsc_shift在哪里计算的呢？

具体计算在xnarch_init_llmulshft()函数中计算：

如何获取最佳的tsc_scale和tsc_shift组合？当一个公式中有两个可变量的时候，最好的办法就是固定其中一个，求出另外一个，然后带入约束条件进行检验。我们首先固定shift这个参数。mult这个因子一定是越大越好，mult越大也就是意味着shift越大。当然shift总有一个起始值，我们设定为32bit，因此tsc_shift从31开始搜索，看看是否满足最大时间范围的要求。如果满足，那么就找到最佳的mult和shift组合，否则要tsc_shift递减，进行下一轮搜索。

先考虑如何计算mult值。根据公式(cycles * mult) >> shift可以得到ns数，由此可以得到计算mult值的公式：

\[mult=\frac{ns<<shift}{cycles} \]

如果我们设定ns数是10^9纳秒（也就是1秒）的话，cycles数目就是频率值。因此上面的公式可以修改为:

\[mult=((10^9<< freq)) \]

看看上面的公式，再对照代码，一切就很清晰了。

那到这自然也就想到，这个freq值就是TSC对应的CPU的频率值了。那上面的函数是由谁调用计算的？CPU的频率值freq在哪获取的？这些值在xenomai核初始化时计算。

五、xenomai xnclock初始化

在xenomai核启动函数xenomai_init()中，由mach_setup()函数完成xenomai域相关定时器、中断、时钟设置。在mach_setup()函数中首先调用ipipe_select_timers()从全局timers链表中为每一个CPU选择一个具有最高评级的clock_event_device作为该cpu的percpu_timer。而timers是每一个clock_event_device 在register的时候， 由 ipipe_host_timer_register()将该clock_event_device添加到链表timers上的。

当一个CPU找到一个合适的clock_event_device的时候，就回调用install_pcpu_timer()设置该clock_event_device为该CPU的percpu_timer，并配置该ipipe_timer频率与CPU频率的转换因子(参数c2t_integ,c2t_frac, ipipe_timer_set中用到，而ipipe_timer_set常被__xnsched_run调用，推测与任务时间片计算有关，有时间再来分析)，同时设置CPU的ipipe_percpu.hrtimer_irq为该timer的中断号。而这里使用的 CPU频率值为__ipipe_hrclock_freq,他的定义如下;

接着mach_setup()中调用ipipe_get_sysinfo(&sysinfo)获取系统的信息，系统online的cpu数，cpu的频率,这个频率也是使用上面cpu_khz的值。另外将0号cpu的hrtimer_irq作为系统hrtimer的中断号，并且设置sys_hrtimer_freq的频率（这个频率是具体percpu_timer的频率lapic-timer或者HPET），同样sys_hrclock_freq也是cpu_khz的值。这些信息在下面的初始化中要用到。

接下来将cobalt_pipeline.timer_freq设置为timerfreq_arg也就是sysinfo中的sys_hrtimer_freq。

cobalt_pipeline.clock_freq为sysinfo中的那个cpu_khz得来的sys_hrclock_freq。

下面注册两个虚拟中断到ipipe，一个为cobalt_pipeline.apc_virq，链接到root_domain，处理linux挂起恢复。另一个为cobalt_pipeline.escalate_virq，注册域为xnsched_realtime_domain，handler为__xnsched_run_handler，一看这就是与xenomai调度相关的。

下面就是这里主要的初始化xnclock的xnclock_init()函数了。

需要注意的是xnclock_init()函数传的参数是cobalt_pipeline.clock_freq，也就是那个cpu_khz得来cobalt_pipeline.clock_freq。

首先第一步做的就是求转换因子tsc_scale, tsc_shift，执行xnclock_update_freq(),到这就是熟悉的xnarch_init_llmulshft(1000000000, freq, &tsc_scale, &tsc_shift)，在上面的分析中提到过，下面去看cpu_khz在哪里获取到的。其他的不在这里不分析。

六、 TSC init

\arch\x86\kernel\tsc.c

这里很明了了，cpu_kh和tsc_khz是两个值，linux使用的是tsc_khz，即产生事件的硬件TSC的真实频率，而xenomai使用cpu_khz去算tsc与纳秒的转换因子， 如果cpu_kh和tsc_khz相等那没有问题，但通过添加调试输出，在这个平台（Kaby Lake-U）上，这两个值是不等的。

刚好下面的条件判断没有对tsc_khz与cpu_khz不相等做处理。

这台机器上导致计算tsc_scale, tsc_shift时使用的是2700Mhz，而TSC的频率是2712MHZ，用2700MHZ得来的tsc_scale, tsc_shift去转换2712MHZ产生的cycles当然不对，每秒就会有12M的漂移，也就是每周期漂移\(\frac{12MHZ}{2700MHZ}=0.004444444\)秒，转换为（微秒/秒）就是\(4444.4444(us/s)\).与机器上实际测试相符：

解决办法（二选一）：

修改Linux内核代码，当tsc_khz不为0时，直接 cpu_khz=tsc_khz

或者对xenomai代码修改，统一使用tsc_khz，而不是cpu_khz：

修改后clocktest测试如下：

附：xenomai内核的一些时钟信息：

$cat /proc/xenomai/clock/coreclok
gravity: irq=100 kernel=1341 user=1341
devices: timer=lapic-deadline, clock=tsc
 status: on
 setup: 100
 ticks: 443638843357 (0067 4aef87dd)

修改后：

$cat /proc/xenomai/clock/coreclok
gravity: irq=99 kernel=1334 user=1334
devices: timer=lapic-deadline, clock=tsc
 status: on
 setup: 99
 ticks: 376931548560 (0057 c2defd90)

lapic-deadline 是上面解析的CPU0 的percpu_timer，deadline表示lapic-timer支持deadline事件触发；

关于xenomai的时间子系统后续会有整理分析文章，敬请关注！！！。

这个问题可能与具体X86平台相关，或是与BIOS有关；后面一直没有使用4.14及以上的内核，不知道现在还有没这个问题。大家可以看看,再提个issue或者啥的.....

2021.2.2-- 最近发现该问题已被社区修复。