Linux之时钟中断
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导语
在Linux的0号中断是一个定时器中断。在固定的时间间隔都发生一次中断，也是说每秒发生该中断的频率都是固定的。该频率是常量HZ，该值一般是在100 ~ 1000之间。该中断的作用是为了定时更新系统日期和时间，使系统时间不断地得到跳转。另外该中断的中断处理函数除了更新系统时间外，还需要更新本地CPU统计数。指的是调用scheduler_tick递减进程的时间片，若进程的时间片递减到0，进程则被调度出去而放弃CPU使用权。
时钟中断的产生
Linux的OS时钟的物理产生原因是可编程定时/计数器产生的输出脉冲，这个脉冲送入CPU，就可以引发一个中断请求信号，我们就把它叫做时钟中断。
时钟中断是特别重要的一个中断，因为整个操作系统的活动都受到它的激励。系统利用时钟中断维持系统时间、促使环境的切换，以保证所有进程共享CPU；利用时钟中断进行记帐、监督系统工作以及确定未来的调度优先级等工作。可以说，时钟中断是整个操作系统的脉搏。
时钟中断的物理产生如图所示：
操作系统对可编程定时/计数器进行有关初始化，然后定时/计数器就对输入脉冲进行计数（分频），产生的三个输出脉冲Out0、Out1、Out2各有用途，很多接口书都介绍了这个问题，我们只看Out0上的输出脉冲，这个脉冲信号接到中断控制器8259A_1的0号管脚，触发一个周期性的中断，我们就把这个中断叫做时钟中断，时钟中断的周期，也就是脉冲信号的周期，我们叫做“滴答”或“时标”（tick）。从本质上说，时钟中断只是一个周期性的信号，完全是硬件行为，该信号触发CPU去执行一个中断服务程序，但是为了方便，我们就把这个服务程序叫做时钟中断。
Linux实现时钟中断的全过程
可编程定时/计数器的初始化
IBM PC中使用的是8253或8254芯片。有关该芯片的详细知识我们不再详述，只大体介绍以下它的组成和作用，如下表5.1所示：
表 8253/8254的组成及作用
| 名称 | 端口地址 | 工作方式 | 产生的输出脉冲的用途 |
|---|---|---|---|
| 计数器0 | 0x40 | 方式3 | 时钟中断，也叫系统时钟 |
| 计数器1 | 0x41 | 方式2 | 动态存储器刷新 |
| 计数器2 | 0x42 | 方式3 | 扬声器发声 |
| 控制寄存器 | 0x43 | / | 用于8253的初始化，接收控制字 |
计数器0的输出就是图中的Out0，它的频率由操作系统的设计者确定，Linux对8253的初始化程序段如下（在/arch/i386/kernel/i8259.c的init_IRQ()函数中）：
set_intr_gate(ox20, interrupt[0]);
／*在IDT的第0x20个表项中插入一个中断门。这个门中的段选择符设置成内核代码段的选择符，偏移域设置成0号中断处理程序的入口地址。*/
outb_p(0x34,0x43); /* 写计数器0的控制字：工作方式2*/
outb_p(LATCH & 0xff , 0x40); /* 写计数初值LSB 计数初值低位字节*/
outb(LATCH >> 8 , 0x40); /* 写计数初值MSB 计数初值高位字节*/
LATCH（英文意思为：锁存器，即其中锁存了计数器0的初值）为计数器0的计数初值，在/include/linux/timex.h中定义如下：
#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* 图5.3中的输入脉冲 */
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* 计数器0的计数初值 */
CLOCK_TICK_RATE是整个8253的输入脉冲，如图5.3中所示为1.193180MHz，是近似为1MHz的方波信号，8253内部的三个计数器都对这个时钟进行计数，进而产生不同的输出信号，用于不同的用途。
HZ表示计数器0的频率，也就是时钟中断或系统时钟的频率，在/include/asm/param.h中定义如下:\#define HZ 100
与时钟中断相关的函数
下面我们看时钟中断触发的服务程序，该程序代码比较复杂，分布在不同的源文件中，主要包括如下函数：
- 时钟中断程序：
timer_interrupt()； - 中断服务通用例程
do_timer_interrupt(); - 时钟函数：
do_timer()； - 中断安装程序：
setup_irq(); - 中断返回函数：
ret_from_intr();
前三个函数的调用关系如下：
timer_interrupt( )
do_timer_interrupt()
do_timer( )
timer_interrupt( )
这个函数大约每10ms被调用一次，实际上, timer_interrupt( )函数是一个封装例程,它真正做的事情并不多,但是,作为一个中断程序,它必须在关中断的情况下执行。如果只考虑单处理机的情况，该函数主要语句就是调用do_timer_interrupt()函数。
do_timer_interrupt()
do_timer_interrupt()函数有两个主要任务,一个是调用do_timer( ),另一个是维持实时时钟(RTC,每隔一定时间段要回写),其实现代码在/arch/i386/kernel/time.c中， 为了突出主题，笔者对以下函数作了改写，以便于读者理解：
static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id,
struct pt_regs *regs){
do_timer(regs); /* 调用时钟函数，将时钟函数等同于时钟中断未尝不可*/
if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660)
update_RTC();
/*每隔11分钟就更新RTC中的时间信息，以使OS时钟和RTC时钟保持同步,11分钟即660秒，xtime.tv_sec的单位是秒,last_rtc_update记录的是上次RTC更新时的值 */
}
其中，xtime是前面所提到的timeval类型，这是一个全局变量。
时钟函数do_timer() (在/kernel/sched.c中)
void do_timer(struct pt_regs * regs){
(*(unsigned long *)&jiffies)++; /*更新系统时间，这种写法保证对jiffies
操作的原子性*/
update_process_times();
++lost_ticks;
if(! user_mode(regs))
++lost_ticks_system;
mark_bh(TIMER_BH);
if (tq_timer)
mark_bh(TQUEUE_BH);
}
其中，update_process_times()函数与进程调度有关，从函数的名子可以看出，它处理的是与当前进程与时间有关的变量，例如，要更新当前进程的时间片计数器counter，如果counter<=0，则要调用调度程序，要处理进程的所有定时器：实时、虚拟、概况，另外还要做一些统计工作。
与时间有关的事情很多，不能全都让这个函数去完成，这是因为这个函数是在关中断的情况下执行，必须处理完最重要的时间信息后退出，以处理其他事情。那么，与时间相关的其他信息谁去处理，何时处理？这就是由第三章讨论的后半部分去去处理。 上面timer_interrupt()（包括它所调用的函数）所做的事情就是上半部分。
在该函数中还有两个变量lost_ticks和lost_ticks_system，这是用来记录timer_bh()执行前时钟中断发生的次数。因为时钟中断发生的频率很高（每10ms一次），所以在timer_bh()执行之前，可能已经有时钟中断发生了，而timer_bh()要提供定时、记费等重要操作，所以为了保证时间计量的准确性，使用了这两个变量。lost_ticks用来记录timer_bh()执行前时钟中断发生的次数，如果时钟中断发生时当前进程运行于内核态，则lost_ticks_system用来记录timer_bh()执行前在内核态发生时钟中断的次数，这样可以对当前进程精确记费。
中断安装程序
从上面的介绍可以看出，时钟中断与进程调度密不可分，因此，一旦开始有时钟中断就可能要进行调度，在系统进行初始化时，所做的大量工作之一就是对时钟进行初始化，其函数time_init ()的代码在/arch/i386/kernel/time.c中，对其简写如下：
void __init time_init(void){
xtime.tv_sec=get_cmos_time();
xtime.tv_usec=0;
setup_irq(0，&irq0);
}
其中的get_cmos_time()函数就是把当时的实际时间从CMOS时钟芯片读入变量xtime中，时间精度为秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是时钟中断安装函数，那么irq0指的是什么呢，它是一个结构类型irqaction，其定义及初值如下：
static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};
setup_irq(0, &irq0)的代码在/arch/i386/kernel/irq.c中，其主要功能就是将中断程序连入相应的中断请求队列，以等待中断到来时相应的中断程序被执行。
struct irqaction {
irq_handler_t handler; //中断处理函数，注册时提供
unsigned long flags; //中断标志，注册时提供
cpumask_t mask; //中断掩码
const char *name; //中断名称
void *dev_id; //设备id，本文后面部分介绍中断共享时会详细说明这个参数的作用
struct irqaction *next; //如果有中断共享，则继续执行，
int irq; //中断号，注册时提供
struct proc_dir_entry *dir; //指向IRQn相关的/proc/irq/n目录的描述符
};
这个结构体包含了处理一种中断所需要的各种信息，它代表了内核接受到特定IRQ之后应该采取的操作。
-
handler:该指针所指向的函数就是在中断服务程序，当中断发生时内核便会调用这个指针指向的函数。 -
flags:该标志位可以是0，也可以是:SA_INTERRUPT:表示此中断处理程序是一个快速中断处理程序，在2.6中默认情况下没有这个标志;设置该标志位，中断处理程序禁止任何中断运行，没有该标志，仅屏蔽正在运行的IRQ线;SA_SAMPLE_RANDOM:表示这个中断对内核池有贡献，在中断时产生一些随机数;SA_SHIRQ:此标志位表示允许多个中断服务程序共享一个中断号，如不设则一个程序对应一个中断线;
-
mask:在x86上不会用到。 -
name:产生中断的硬件的名字. -
dev_id:该标志位主要在共享中断号时使用，即你设置flags=SA_SHIRQ时，有多个中断服务程序共享一个中断号时，内核就需要知道在用完中断程序后该删除那个中断服务程序。不共享时此成员为null。 -
next:如果flags=SA_SHIRQ，那么这就是指向对列中下一个struct irqaction结构体的指针，否则为空。 -
irq:不用说这就是中断号了。
到现在为止，我们仅仅是把时钟中断程序挂入中断请求队列，什么时候执行，怎样执行，这是一个复杂的过程（参见第三章），为了让读者对时钟中断有一个完整的认识，我们忽略中间过程，而给出一个整体描述。我们将有关函数改写如下，体现时钟中断的大意：
do_timer_interrupt(){ ／*这是一个伪函数 *／
SAVE_ALL ／*保存处理机现场 *／
intr_count += 1; ／* 这段操作不允许被中断 *／
timer_interrupt() ／* 调用时钟中断程序 *／
intr_count -= 1;
jmp ret_from_intr /* 中断返回函数 *／
}
其中，jmp ret_from_intr 是一段汇编代码，也是一个较为复杂的过程，它最终要调用jmp ret_from_sys_call，即系统调用返回函数，而这个函数与进程的调度又密切相关，因此，我们重点分析 jmp ret_from_sys_call。
系统调用返回函数
系统调用返回函数的源代码在/arch/i386/kernel/entry.S中
ENTRY(ret_from_sys_call)
cli # need_resched and signals atomic test
cmpl $0,need_resched(%ebx)
jne reschedule
cmpl $0,sigpending(%ebx)
jne signal_return
restore_all:
RESTORE_ALL
ALIGN
signal_return:
sti # we can get here from an interrupt handler
testl $(VM_MASK),EFLAGS(%esp)
movl %esp,%eax
jne v86_signal_return
xorl %edx,%edx
call SYMBOL_NAME(do_signal)
jmp restore_all
ALIGN
v86_signal_return:
call SYMBOL_NAME(save_v86_state)
movl %eax,%esp
xorl %edx,%edx
call SYMBOL_NAME(do_signal)
jmp restore_all
....
reschedule:
call SYMBOL_NAME(schedule) # test
jmp ret_from_sys_call
这一段汇编代码就是前面我们所说的“从系统调用返回函数ret_from_sys_call，它是从中断、异常及系统调用返回时的通用接口。这段代码主体就是ret_from_sys_call函数，其执行过程中要调用其它一些函数(实际上是一段代码，不是真正的函数)，在此我们列出相关的几个函数：
ret_from_sys_call：主体reschedule：检测是否需要重新调度signal_return：处理当前进程接收到的信号v86_signal_return：处理虚拟86模式下当前进程接收到的信号RESTORE_ALL：我们把这个函数叫做彻底返回函数，因为执行该函数之后，就返回到当前进程的地址空间中去了。
可以看到ret_from_sys_call的主要作用有：
检测调度标志need_resched，决定是否要执行调度程序；处理当前进程的信号；恢复当前进程的环境使之继续执行。
总结
最后我们再次从总体上浏览一下时钟中断：
每个时钟滴答，时钟中断得到执行。时钟中断执行的频率很高：100次/秒，时钟中断的主要工作是处理和时间有关的所有信息、决定是否执行调度程序以及处理下半部分。和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器，进程更新后的时间片为进程调度提供依据，然后在时钟中断返回时决定是否要执行调度程序。下半部分处理程序是Linux提供的一种机制，它使一部分工作推迟执行。时钟中断要绝对保证维持系统时间的准确性，而下半部分这种机制的提供不但保证了这种准确性，还大幅提高了系统性能。
