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Linux时间子系统中的定时器的引擎:clock_event_device

2019年10月12日 文章来源:网络整理 热度:108℃ 作者:刘英

早期的内核版本中,进程的调度基于一个称之为tick的时钟滴答,通常使用时钟中断来定时地产生TIck信号,每次TIck定时中断都会进行进程的统计和调度,并对TIck进行计数,记录在一个jiffies变量中,定时器的设计也是基于jiffies。这时候的内核代码中,几乎所有关于时钟的操作都是在machine级的代码中实现,很多公共的代码要在每个平台上重复实现。随后,随着通用时钟框架的引入,内核需要支持高精度的定时器,为此,通用时间框架为定时器硬件定义了一个标准的接口:clock_event_device,machine级的代码只要按这个标准接口实现相应的硬件控制功能,剩下的与平台无关的特性则统一由通用时间框架层来实现。

1.  时钟事件软件架构

本系列文章的第一节中,我们曾经讨论了时钟源设备:clocksource,现在又来一个时钟事件设备:clock_event_device,它们有何区别?看名字,好像都是给系统提供时钟的设备,实际上,clocksource不能被编程,没有产生事件的能力,它主要被用于TImekeeper来实现对真实时间进行精确的统计,而clock_event_device则是可编程的,它可以工作在周期触发或单次触发模式,系统可以对它进行编程,以确定下一次事件触发的时间,clock_event_device主要用于实现普通定时器和高精度定时器,同时也用于产生tick事件,供给进程调度子系统使用。时钟事件设备与通用时间框架中的其他模块的关系如下图所示:

Linux时间子系统中的定时器的引擎:clock_event_device

图1.1   clock_event_device软件架构

与clocksource一样,系统中可以存在多个clock_event_device,系统会根据它们的精度和能力,选择合适的clock_event_device对系统提供时钟事件服务。在smp系统中,为了减少处理器间的通信开销,基本上每个cpu都会具备一个属于自己的本地clock_event_device,独立地为该cpu提供时钟事件服务,smp中的每个cpu基于本地的clock_event_device,建立自己的tick_device,普通定时器和高精度定时器。

在软件架构上看,clock_event_device被分为了两层,与硬件相关的被放在了machine层,而与硬件无关的通用代码则被集中到了通用时间框架层,这符合内核对软件的设计需求,平台的开发者只需实现平台相关的接口即可,无需关注复杂的上层时间框架。

tick_device是基于clock_event_device的进一步封装,用于代替原有的时钟滴答中断,给内核提供tick事件,以完成进程的调度和进程信息统计,负载平衡和时间更新等操作。

2.  时钟事件设备相关数据结构

2.1  struct clock_event_device

时钟事件设备的核心数据结构是clock_event_device结构,它代表着一个时钟硬件设备,该设备就好像是一个具有事件触发能力(通常就是指中断)的clocksource,它不停地计数,当计数值达到预先编程设定的数值那一刻,会引发一个时钟事件中断,继而触发该设备的事件处理回调函数,以完成对时钟事件的处理。clock_event_device结构的定义如下:

[cpp] view plain copy

struct clock_event_device {  

void            (*event_handler)(struct clock_event_device *);  

int         (*set_next_event)(unsigned long evt,  

struct clock_event_device *);  

int         (*set_next_ktime)(ktime_t expires,  

struct clock_event_device *);  

ktime_t         next_event;  

u64         max_delta_ns;  

u64         min_delta_ns;  

u32         mult;  

u32         shift;  

enum clock_event_mode   mode;  

unsigned int        features;  

unsigned long       retries;  

void            (*broadcast)(const struct cpumask *mask);  

void            (*set_mode)(enum clock_event_mode mode,  

struct clock_event_device *);  

unsigned long       min_delta_ticks;  

unsigned long       max_delta_ticks;  

const char      *name;  

int         rating;  

int         irq;  

const struct cpumask    *cpumask;  

struct list_head    list;  

} ____cacheline_aligned;  


event_handler  该字段是一个回调函数指针,通常由通用框架层设置,在时间中断到来时,machine底层的的中断服务程序会调用该回调,框架层利用该回调实现对时钟事件的处理。

set_next_event  设置下一次时间触发的时间,使用类似于clocksource的cycle计数值(离现在的cycle差值)作为参数。

set_next_ktime  设置下一次时间触发的时间,直接使用ktime时间作为参数。

max_delta_ns  可设置的最大时间差,单位是纳秒。

min_delta_ns  可设置的最小时间差,单位是纳秒。

mult shift  与clocksource中的类似,只不过是用于把纳秒转换为cycle。

mode  该时钟事件设备的工作模式,两种主要的工作模式分别是:

CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC  周期触发模式,设置后按给定的周期不停地触发事件;

CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT  单次触发模式,只在设置好的触发时刻触发一次;

set_mode  函数指针,用于设置时钟事件设备的工作模式。

rating  表示该设备的精度等级。

list  系统中注册的时钟事件设备用该字段挂在全局链表变量clockevent_devices上。

2.2  全局变量clockevent_devices

系统中所有注册的clock_event_device都会挂在该链表下面,它在kernel/time/clockevents.c中定义:

[cpp] view plain copy

static LIST_HEAD(clockevent_devices);  

2.3  全局变量clockevents_chain

通用时间框架初始化时会注册一个通知链(NOTIFIER),当系统中的时钟时间设备的状态发生变化时,利用该通知链通知系统的其它模块。

[cpp] view plain copy

/* Notification for clock events */  

static RAW_NOTIFIER_HEAD(clockevents_chain);  

3.  clock_event_device的初始化和注册

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