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.  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.  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 the
    15      * 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 }

     

动态时钟处理程序tick_nohz_handler的实现如下:
 
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     1 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jiffy
    22     while (tick_nohz_reprogram(ts, now)) {
    23         now = ktime_get();
    24         tick_do_update_jiffies64(now);
    25     }
    26 }
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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 }
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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
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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 }
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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 have
    12      * periodic mode. We read dev->next_event first and add to it
    13      * when the event alrady expired. clockevents_program_event()
    14      * sets dev->next_event only when the event is really
    15      * 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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tick_do_periodic_broadcast --》tick_do_broadcast ,而tick_do_broadcast是关键,其实现如下:

 

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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 }
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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_SMP
    4     apic->send_IPI_mask(mask, LOCAL_TIMER_VECTOR);
    5 #endif
    6 }
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最终ipi中断导致其他cpu调用本cpu的时钟事件设备的处理函数。

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