(Linux原理與結(jié)構(gòu))第五章時(shí)鐘管理

第五章 時(shí)

鐘

管

理第五章時(shí)鐘管理?5.1

時(shí)鐘管理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)?5.2

時(shí)鐘設(shè)備管理?5.3

計(jì)時(shí)器管理?5.4

周期性時(shí)鐘中斷?5.5

單發(fā)式時(shí)鐘中斷?5.6

變頻式周期性時(shí)鐘中斷1第五章 時(shí)

鐘

管

理在所有的外部中斷中，時(shí)鐘中斷是最特別、最重要的一種。時(shí)鐘中斷驅(qū)動(dòng)著操作系統(tǒng)中的時(shí)間與定時(shí)器，是系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的所有操作的基礎(chǔ)，是必須由操作系統(tǒng)內(nèi)核處理的最基本的外部中斷。時(shí)鐘中斷來源于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的時(shí)鐘設(shè)備。時(shí)鐘設(shè)備是一種特殊的外部設(shè)備，其主要作用是產(chǎn)生時(shí)鐘中斷。傳統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)備常用于產(chǎn)生周期性的時(shí)鐘中斷，被看作是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的心跳與脈搏。老版本的Linux在時(shí)鐘中斷處理中完成所有與時(shí)間相關(guān)的管理工作，包括計(jì)時(shí)與定時(shí)，未形成獨(dú)立的時(shí)鐘管理系統(tǒng)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理這種嵌入在中斷處理中的時(shí)鐘管理方案雖然簡單，但卻存在一些問題，如與時(shí)鐘設(shè)備硬件綁定過緊，難以維護(hù)；增加新的時(shí)鐘設(shè)備時(shí)需重寫管理程序，代碼重復(fù)量大；難以提供高精度定時(shí)、周期性時(shí)鐘中斷暫停等新型服務(wù)等，因而有必要對系統(tǒng)中的時(shí)鐘管理部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。2005年以后，隨著高精度時(shí)鐘設(shè)備的引入，出現(xiàn)了多種時(shí)鐘管理改進(jìn)方案，這些方案被逐漸集成到了新的Linux版本中，逐步形成了獨(dú)立的時(shí)鐘管理系統(tǒng)。以時(shí)鐘管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，當(dāng)前的Linux已可提供多種優(yōu)質(zhì)的計(jì)時(shí)與定時(shí)服務(wù)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理時(shí)鐘管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理時(shí)鐘設(shè)備和計(jì)時(shí)器，處理系統(tǒng)中與時(shí)間相5關(guān).的1

工時(shí)作。鐘Li管nux理中的系時(shí)統(tǒng)鐘管組理成系統(tǒng)結(jié)由構(gòu)兩大部分組成，其基礎(chǔ)是時(shí)鐘設(shè)備管理和計(jì)時(shí)器管理，建立在該基礎(chǔ)上的是基于時(shí)間的服務(wù)，其組織結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.1時(shí)鐘管理系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)1第五章 時(shí)

鐘

管

理時(shí)鐘設(shè)備管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的時(shí)鐘設(shè)備，其中包含一個(gè)管理框架和一組通用操作，支持時(shí)鐘設(shè)備的注冊、選用、模式設(shè)置及時(shí)鐘中斷的處理。每一個(gè)時(shí)鐘設(shè)備都需要向該子系統(tǒng)注冊一個(gè)管理結(jié)構(gòu)。時(shí)鐘設(shè)備可工作在周期中斷模式、高精度單發(fā)中斷模式或低精度單發(fā)中斷模式。但在一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)上，一個(gè)時(shí)鐘設(shè)備只能工作一種中斷模式。計(jì)時(shí)器管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的計(jì)時(shí)器設(shè)備。系統(tǒng)中可能同時(shí)存在多種計(jì)時(shí)器設(shè)備，每一種計(jì)時(shí)器都需要注冊一個(gè)管理結(jié)構(gòu)。以高精度計(jì)時(shí)器和時(shí)鐘設(shè)備為基礎(chǔ)，可為用戶提供更加精確、平滑的時(shí)間服務(wù)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理時(shí)鐘管理系統(tǒng)提供的服務(wù)包括時(shí)間管理(更新墻上時(shí)間并為用戶提供時(shí)間服務(wù))、定時(shí)管理(管理各類定時(shí)器并為用戶提供定時(shí)服務(wù))、進(jìn)程賬務(wù)管理(統(tǒng)計(jì)進(jìn)程的時(shí)間消耗信息并在需要時(shí)啟動(dòng)進(jìn)程調(diào)度)、負(fù)載管理(統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)負(fù)載并進(jìn)行必要的平衡)等。老版本的Linux僅提供了兩種定時(shí)器，即核心定時(shí)器和時(shí)間間隔定時(shí)器。新版本的Linux增加了一個(gè)管理框架，專門用于管理系統(tǒng)中的高精度定時(shí)器。核心定時(shí)器和時(shí)間間隔定時(shí)器可建立在周期性時(shí)鐘中斷之上，但高精度定時(shí)器只能建立在高精度單發(fā)式時(shí)鐘中斷之上。1第五章 時(shí)

鐘

管

理單發(fā)式時(shí)鐘中斷僅在需要時(shí)產(chǎn)生，不需要時(shí)可以暫停。通過暫?？臻e處理器上的周期性時(shí)鐘中斷，可極大地減少時(shí)鐘中斷的次數(shù)，改善系統(tǒng)的節(jié)能效果。1第五章 時(shí)

鐘

管

理PIT(Programmable

Interval

Timer)。目前的系統(tǒng)中通常配置有多種時(shí)鐘設(shè)備，如Local

APIC

Timer、HPET(HighPrecision

Event

Timer)、ACPI的電源管理定時(shí)器(PowerManagement

Timer)等。1早期的系統(tǒng)中5.只2有一時(shí)個(gè)鐘時(shí)鐘設(shè)設(shè)備備，管即理第五章 時(shí)

鐘

管

理其中的PIT和HPET屬于全局時(shí)鐘設(shè)備，Local

APIC

Timer屬于局部時(shí)鐘設(shè)備。每類全局時(shí)鐘設(shè)備的配置量一般不會超過1個(gè)，但每個(gè)處理器都可能配置有自己的局部時(shí)鐘設(shè)備。全局時(shí)鐘設(shè)備所產(chǎn)生的時(shí)鐘中斷可以被遞交給系統(tǒng)中任意一個(gè)處理器，局部時(shí)鐘設(shè)備所產(chǎn)生的時(shí)鐘中斷僅會遞交給與之相連的處理器。時(shí)鐘設(shè)備通常支持兩種中斷模式。工作在周期(Period)模式的時(shí)鐘設(shè)備會產(chǎn)生周期性的時(shí)鐘中斷，工作在單發(fā)(One

shot)模式的時(shí)鐘設(shè)備每啟動(dòng)一次僅會產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘中斷。1第五章 時(shí)

鐘

管

理5.2.1

時(shí)鐘設(shè)備管理結(jié)構(gòu)1顯然，不同的時(shí)鐘設(shè)備具有不同的特性、不同的狀態(tài)和不同的操作方法。為了統(tǒng)一管理，Linux定義了結(jié)構(gòu)clock_event_device用來描述時(shí)鐘設(shè)備，每種時(shí)鐘設(shè)備一個(gè)。結(jié)構(gòu)clock_event_device中包含以下一些屬性域：時(shí)鐘設(shè)備特性features，如是否支持周期中斷模式、是否支持單發(fā)中斷模式、是否會在處理器睡眠(C3狀態(tài))時(shí)停止產(chǎn)生中斷、是否為啞設(shè)備等。設(shè)備當(dāng)前中斷模式mode，如未用、已關(guān)閉、周期模式、單發(fā)模式等。第五章 時(shí)

鐘

管

理下一次時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)間next_event，僅用于單發(fā)中斷模式。next_event的取值范圍在min_delta_ns和max_delta_ns之間，單位為納秒。轉(zhuǎn)換關(guān)系mult和shift，用于時(shí)鐘中斷周期(納秒)和輸入脈沖數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換。通常情況下，時(shí)鐘設(shè)備在收

到多個(gè)輸入脈沖后會產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘中斷。時(shí)鐘設(shè)備優(yōu)先級rating，值越大表示時(shí)鐘設(shè)備的優(yōu)先級越高。中斷請求號irq，是時(shí)鐘設(shè)備所產(chǎn)生的IRQ號。1第五章 時(shí)

鐘

管

理(7)處理器位圖cpumask，描述該時(shí)鐘設(shè)備所服務(wù)的處理器集合。結(jié)構(gòu)clock_event_device中還包含四個(gè)操作函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘設(shè)備的管理操作，其中set_mode用于設(shè)置時(shí)鐘設(shè)備的中斷模式，set_next_event用于設(shè)置時(shí)鐘設(shè)備的下一次中斷時(shí)間，broadcast用于將設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)鐘中斷廣播給其它處理器，event_handler用于處理時(shí)鐘中斷。1第五章 時(shí)

鐘

管

理Linux提供了兩個(gè)全局隊(duì)列用于管理時(shí)鐘設(shè)備，其中隊(duì)列clockevent_devices中包含所有已注冊且已被選用的時(shí)鐘設(shè)備，隊(duì)列clockevents_released中包含已注冊但未被選用的時(shí)鐘設(shè)備。指針global_clock_event指向當(dāng)前使用的全局時(shí)鐘設(shè)備。傳統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)備通常工作在周期中斷模式，用以產(chǎn)生周期性的時(shí)鐘中斷。周期性時(shí)鐘中斷的頻率是操作系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，稱為HZ。1第五章 時(shí)

鐘

管

理兩次時(shí)鐘中斷之間的時(shí)間間隔稱為1個(gè)滴答(tick)。在早期的版本中，HZ被設(shè)為100，即1秒鐘產(chǎn)生100次時(shí)鐘中斷，滴答值是10

ms。在新版本中，HZ被設(shè)為1000，即1秒鐘產(chǎn)生1000次時(shí)鐘中斷，滴答值是1

ms。新式的時(shí)鐘設(shè)備通常工作在單發(fā)中斷模式，不再依賴于周期性時(shí)鐘中斷，因而可以將HZ取消掉。1第五章 時(shí)

鐘

管

理5.2.2

PIT設(shè)備1傳統(tǒng)的PIT由三個(gè)計(jì)數(shù)器組成，各計(jì)數(shù)器的初值由操作系統(tǒng)設(shè)定，并隨PIT的輸入脈沖而遞減，如圖5.2所示。PIT的三個(gè)計(jì)數(shù)器可獨(dú)立配置、獨(dú)立工作，支持周期和單發(fā)兩種中斷模式。若計(jì)數(shù)器工作在周期中斷模式，那么每當(dāng)它的計(jì)數(shù)值減到0時(shí)，就會輸出一個(gè)脈沖，而后計(jì)數(shù)器會恢復(fù)初值，重新開始計(jì)數(shù)，因而會產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。缺省情況下，第0號計(jì)數(shù)器工作在周期中斷模式，它的輸出脈沖會周期性地中斷處理器，因而常被稱為周期性時(shí)鐘中斷。第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.2基于PIT的時(shí)鐘中斷1第五章 時(shí)

鐘

管

理在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，PIT設(shè)備的輸入頻率是1

193

182

Hz，即每秒1

193

182個(gè)輸入脈沖。當(dāng)PIT工作在周期中斷模式時(shí)，它產(chǎn)生周期性時(shí)鐘中斷的頻率略大于Hz。當(dāng)PIT工作在單發(fā)中斷模式時(shí)，可為它設(shè)定的下一次中斷時(shí)間應(yīng)在12

571

ns(0xF個(gè)輸入脈沖)到27

461

862

ns(0x7FFF個(gè)輸入脈沖)之間。PIT是最基本的時(shí)鐘設(shè)備，其clock_event_device結(jié)構(gòu)已被注冊到

clockevent_devices隊(duì)列中。1第五章 時(shí)

鐘

管

理PIT內(nèi)部有4個(gè)寄存器，分別是計(jì)數(shù)器0、計(jì)數(shù)器1、計(jì)

數(shù)器2和控制寄存器，其I/O端口號分別是0x40、0x41、0x42、0x43。通過操作PIT的I/O端口可以改變其中斷模式，如將PIT設(shè)為周期中斷模式并將第0號計(jì)數(shù)器的初值設(shè)為(1193

182+Hz/2)/Hz、將PIT設(shè)為未用或關(guān)閉模式以禁止它繼續(xù)產(chǎn)生時(shí)鐘中斷等。若PIT工作在單發(fā)中斷模式，通過設(shè)置它的第0號計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以設(shè)定它的下一次中斷時(shí)間。PIT的輸入頻率較低，且不夠規(guī)整，滴答值難以算得十分精確(略小)。在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，只有當(dāng)HPET不可用時(shí)才會選用PIT。1第五章 時(shí)

鐘

管

理5.2.3

HPET設(shè)備1HPET是一種高精度時(shí)鐘設(shè)備，其輸入時(shí)鐘的頻率不低于10

MHz。一個(gè)HPET由一個(gè)主計(jì)數(shù)器和最多32個(gè)Timer組

成，每個(gè)Timer中又包含一個(gè)比較器和一個(gè)匹配寄存器，如圖5.3所示。HPET的主計(jì)數(shù)器單調(diào)增長，每個(gè)輸入時(shí)鐘周期加1。比較器隨時(shí)比較主計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值與自己匹配寄存器的預(yù)定值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩者匹配時(shí)即請求產(chǎn)生中斷。如果Timer工作在周期中斷模式，那么每次中斷之后其匹配寄存器的值都會自動(dòng)累加一個(gè)周期數(shù)(記錄在周期寄存器中)，因而可產(chǎn)生周期性的時(shí)鐘中斷。第五章 時(shí)

鐘

管

理如果Timer工作在單發(fā)中斷模式，在產(chǎn)生中斷之后其匹配器的值不會自動(dòng)調(diào)整，因而僅能產(chǎn)生一次性的時(shí)鐘中斷。HPET的每個(gè)Timer都可以獨(dú)立地產(chǎn)生中斷，其中的第0號Timer可用于替代PIT(連接到PIC的第0號管腳或I/O

APIC的第2號管腳)，第1號Timer可用于替代RTC的定時(shí)器(連接到PIC或I/O

APIC的第8號管腳)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.3

HPET組成結(jié)構(gòu)1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果系統(tǒng)支持HPET，那么在ACPI的描述表中一定包含著有關(guān)HPET的描述信息，如其寄存器的物理基地址等。Linux在初始化時(shí)已經(jīng)對HPET做了如下設(shè)置工作：(1)已將HPET的寄存器映射到了內(nèi)核的線性地址空間。與PIT相比，HPET內(nèi)部有更多的寄存器，如用于整體管理

的能力與ID寄存器、配置寄存器、中斷狀態(tài)寄存器、主計(jì)數(shù)寄存器等，用于各Timer自身管理的配置寄存器、匹配寄存器和中斷路由寄存器等。Linux用內(nèi)存映射方式訪問

HPET的寄存器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理已對HPET的配置信息進(jìn)行了合法性檢查。讀HPET的寄存器可獲得它的配置信息，如其中的計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)、主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期(以10-15s為單位)等。Linux假定HPET的主計(jì)數(shù)周期(輸入時(shí)鐘周期)應(yīng)在0.1

ns～100

ns之間。已注冊了HPET的clock_event_device結(jié)構(gòu)。當(dāng)HPET工作在單發(fā)中斷模式時(shí)，可為它設(shè)定的下一次中斷時(shí)間應(yīng)不小于5000

ns且不大于0x7FFFFFFF個(gè)主計(jì)數(shù)周期。1第五章 時(shí)

鐘

管

理(4)已在數(shù)組hpet_devs中記錄了HPET中所有Timer的配置信息。除第0和第1號Timer之外，HPET的其它Timer可動(dòng)態(tài)分配，用做其它目的。通過讀寫HPET的寄存器，可以對其進(jìn)行以下操作：(1)啟/停HPET。整體配置寄存器的第0位是啟/停位，將其清0，可使整個(gè)HPET停止工作，將其置1，可使整個(gè)

HPET重新工作。(2)讀/寫主計(jì)數(shù)器。讀主計(jì)數(shù)器可獲得它的當(dāng)前值，寫主計(jì)數(shù)器可以設(shè)置它的計(jì)數(shù)初值，如0。1第五章 時(shí)

鐘

管

理(3)改變各Timer的中斷模式。如將某個(gè)Timer設(shè)為周期中斷模式并設(shè)置它的計(jì)數(shù)周期(頻率也是Hz)、將某Timer設(shè)為單發(fā)中斷模式并通過匹配寄存器設(shè)定它的下次中斷時(shí)間、將某個(gè)Timer設(shè)為未用或關(guān)閉模式以禁止它繼續(xù)產(chǎn)生中斷等。1第五章 時(shí)

鐘

管

理5.2.4 Local

APIC設(shè)備1LocalAPIC

Timer位于LocalAPIC內(nèi)部，是一種局部時(shí)鐘設(shè)備。與PIT和HPET不同，LocalAPICTimer沒有自己獨(dú)立的時(shí)鐘源，它的定時(shí)依據(jù)是處理器的總線時(shí)鐘。每個(gè)LocalAPICTimer內(nèi)部至少包含三個(gè)寄存器，其中分頻寄存器用于設(shè)置Timer的計(jì)數(shù)頻率，實(shí)際是對處理器總線頻率的分頻。Local

APIC

Timer的實(shí)際計(jì)數(shù)頻率為總線頻率的1/2i(i=0～7)，i由分頻寄存器指定。初始計(jì)數(shù)器用于設(shè)置計(jì)數(shù)初值。第五章 時(shí)

鐘

管

理當(dāng)前計(jì)數(shù)器的初值來源于初始計(jì)數(shù)器，并按計(jì)數(shù)頻率遞減。當(dāng)當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值遞減到0時(shí)，LocalAPIC

Timer產(chǎn)生中斷，并被遞交給與之相連的處理器，其中斷向量號為0xef。Local

APIC

Timer可工作在單發(fā)中斷模式和周期中斷模式中。當(dāng)工作在單發(fā)模式時(shí)，當(dāng)前計(jì)數(shù)器從初始計(jì)數(shù)器中獲得初值并開始遞減，當(dāng)遞減到0時(shí)產(chǎn)生中斷，而后停止，等待下一次設(shè)置。當(dāng)工作在周期模式時(shí)，當(dāng)前計(jì)數(shù)器會自動(dòng)從初始計(jì)數(shù)器重裝初值，反復(fù)計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生周期性的中斷。1第五章 時(shí)

鐘

管

理Local

APIC

Timer可以被關(guān)閉，此時(shí)處理器僅能使用全局時(shí)鐘設(shè)備。Local

APIC

Timer也可以被啟用，此時(shí)處理器通常使用自己的局部時(shí)鐘設(shè)備。每個(gè)Local

APIC

Timer都要注冊自己的clock_event_device結(jié)構(gòu)，注冊工作由處理器自己完成。Linux按16分頻設(shè)置Local

APICTimer，即每過16個(gè)總線時(shí)鐘周期Local

APICTimer的當(dāng)前計(jì)數(shù)值才會減1。由于處理器的總線時(shí)鐘不是固定的，因而必須預(yù)先估算總線時(shí)鐘頻率或Local

APIC

Timer的計(jì)數(shù)頻率。1第五章 時(shí)

鐘

管

理估算的依據(jù)是全局時(shí)鐘中斷，方法是讓系統(tǒng)延時(shí)100個(gè)滴答(100

ms)，記下其間當(dāng)前計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)差，從而估算出Local

APIC計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率和處理器的總線時(shí)鐘頻率。當(dāng)LocalAPICTimer工作在單發(fā)中斷模式時(shí)，可為它設(shè)定的下一次中斷時(shí)間，即LocalAPIC的計(jì)數(shù)初值，應(yīng)在0xF到0x7FFFFF之間。1第五章 時(shí)

鐘

管

理改變Local

APIC

Timer的中斷模式需要設(shè)置Local

APIC局部中斷向量表中的LVTT和Timer的初始計(jì)數(shù)器，LVTT控制Timer的中斷模式(周期模式、單發(fā)模式)、中斷向量和中斷屏蔽等，初始計(jì)數(shù)器控制Timer的中斷頻率(周期模式)或下一次中斷時(shí)間(單發(fā)模式)。關(guān)閉Local

APIC

Timer的方法十分簡單，屏蔽它的中斷即可。特殊情況下，可以廣播一個(gè)Local

APIC

Timer的時(shí)鐘中斷，從而將其轉(zhuǎn)化成全局時(shí)鐘設(shè)備。方法是在局部時(shí)鐘中斷處理中，讓當(dāng)前處理器通過IPI機(jī)制向其它處理器發(fā)送處理器間中斷，中斷向量號也是0xef。1第五章 時(shí)

鐘

管

理15.2.5

當(dāng)前時(shí)鐘設(shè)備由于系統(tǒng)中同時(shí)存在多種時(shí)鐘設(shè)備，因而不同的處理器可能選用不同的時(shí)鐘設(shè)備。Linux在PERCPU數(shù)據(jù)區(qū)中為每個(gè)處理器定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)變量tick_cpu_device(類型為tick_device)，用于記錄處理器當(dāng)前使用的時(shí)鐘設(shè)備。每個(gè)處理器都需要選用一個(gè)時(shí)鐘設(shè)備，一個(gè)時(shí)鐘設(shè)備只能被一個(gè)處理器選用。struct

tick_device

{*evtdev;//mode;//中斷模struct

clock_event_device時(shí)鐘設(shè)備enum

tick_device_mode式};第五章 時(shí)

鐘

管

理DEFINE_PER_CPU(struct

tick_device,tick_cpu_device);每當(dāng)有新的時(shí)鐘設(shè)備注冊時(shí)，當(dāng)前處理器都會進(jìn)行檢查比對，決定是否需要更新自己的時(shí)鐘設(shè)備。檢查的范圍包括新注冊的時(shí)鐘設(shè)備和clockevents_released隊(duì)列中的所有空閑的時(shí)鐘設(shè)備。在下列條件下，處理器將更換時(shí)鐘設(shè)備：新設(shè)備能為本處理器提供時(shí)鐘中斷。處理器還未選用時(shí)鐘設(shè)備，或新時(shí)鐘設(shè)備的優(yōu)先級比已選用設(shè)備的優(yōu)先級高。如果處理器已經(jīng)選用了時(shí)鐘設(shè)備，那么在下列情況下不用再進(jìn)行更換：1第五章 時(shí)

鐘

管

理新設(shè)備不能為本處理器提供時(shí)鐘中斷。處理器已選用了自己的局部時(shí)鐘設(shè)備。處理器已選用的時(shí)鐘設(shè)備支持單發(fā)中斷模式，但新時(shí)鐘設(shè)備不支持。處理器已選時(shí)鐘設(shè)備的優(yōu)先級比新設(shè)備的優(yōu)先級高。如果處理器決定選用或更換時(shí)鐘設(shè)備，它要進(jìn)行如下處理：1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果處理器還未選用時(shí)鐘設(shè)備，則將新注冊的設(shè)備選為自己的周期性時(shí)鐘設(shè)備，即讓tick_cpu_device中的

evtdev指向新設(shè)備；如果處理器已選用過時(shí)鐘設(shè)備，則將老的時(shí)鐘設(shè)備設(shè)為未用模式，將其轉(zhuǎn)到clockevents_released隊(duì)列中，而后將新設(shè)備設(shè)為自己的時(shí)鐘設(shè)備，中斷模式與處理函數(shù)保持不變。如果選用的新設(shè)備不是當(dāng)前處理器的局部時(shí)鐘設(shè)備

(全局時(shí)鐘設(shè)備)，則需要設(shè)置中斷控制器，讓其將新時(shí)鐘設(shè)備的中斷遞交給當(dāng)前處理器。事實(shí)上，每個(gè)時(shí)鐘設(shè)備的中斷僅會遞交給一個(gè)處理器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果還未為時(shí)鐘中斷全局部分的處理工作指定處理器，則指定當(dāng)前處理器。時(shí)鐘中斷的處理工作分成兩部分：全局部分負(fù)責(zé)處理影響系統(tǒng)全局的工作(如更新系統(tǒng)時(shí)間)，本地部分負(fù)責(zé)處理單個(gè)處理器內(nèi)部的工作(如更新當(dāng)前進(jìn)程的時(shí)間片)。系統(tǒng)中只能有一個(gè)處理器負(fù)責(zé)全局部分的處理工作。設(shè)置時(shí)鐘設(shè)備的中斷處理函數(shù)。初始情況下，時(shí)鐘設(shè)備工作在周期中斷模式，其處理函數(shù)是

tick_handle_periodic。1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果該時(shí)鐘設(shè)備同時(shí)還是時(shí)鐘中斷的廣播設(shè)備，它的處理函數(shù)應(yīng)是tick_handle_periodic_broadcast。(5)啟用新選用的時(shí)鐘設(shè)備。如果新選用的時(shí)鐘設(shè)備工作在周期中斷模式，還要設(shè)置它的中斷頻率，否則要設(shè)置它的下一次中斷時(shí)間。在系統(tǒng)初始化時(shí)，BSP負(fù)責(zé)注冊全局時(shí)鐘設(shè)備PIT和HPET，同時(shí)也會注冊自己的Local

APIC

Timer。由于LocalAPIC

Timer的優(yōu)先級比全局設(shè)備的優(yōu)先級高，因而只要BSP未禁用Local

APIC，它肯定會選用自己的局部時(shí)鐘設(shè)備。1第五章 時(shí)

鐘

管

理在AP啟動(dòng)過程中，它們也會注冊自己的Local

APIC

Timer，且會選用自己的局部時(shí)鐘設(shè)備。所以，正常情況下，處理器都會選用自己的局部時(shí)鐘設(shè)備，除非它的Local

APIC被禁用。如果處理器選用的是啞時(shí)鐘設(shè)備(不會產(chǎn)生時(shí)鐘中斷)，則要啟用廣播設(shè)備(HPET或PIT)。指針tick_broadcast_device指向廣播設(shè)備，位圖tick_broadcast_mask記錄需要接收時(shí)鐘中斷廣播的處理器。初始情況下，廣播設(shè)備也工作在周期中斷模式，其處理函數(shù)是tick_handle_periodic_broadcast。當(dāng)廣播設(shè)備產(chǎn)生中斷時(shí)，其處理函數(shù)會將該中斷轉(zhuǎn)發(fā)給選用啞設(shè)備的處理器，所轉(zhuǎn)發(fā)的中斷號就是啞設(shè)備注冊的中斷向量號，如0xef。1第五章 時(shí)

鐘

管

理傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中僅有一個(gè)RTC和一個(gè)PIT，因而只1能以滴答為基礎(chǔ)5建.立3其計(jì)時(shí)間時(shí)管理器系統(tǒng)管。在理新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除PIT之外，還配置有其它的計(jì)時(shí)設(shè)備，如HPET、TSC等，它們可以提供更小的計(jì)時(shí)單位、更高的計(jì)時(shí)精度和更新的計(jì)時(shí)方法。然而，多種共存的計(jì)時(shí)設(shè)備也增加了管理的復(fù)雜性。第五章 時(shí)

鐘

管

理為了統(tǒng)一起見，Linux將可以用來計(jì)時(shí)的設(shè)備抽象成計(jì)時(shí)器，并專門定義了結(jié)構(gòu)clocksource(也叫timesource)來描述計(jì)時(shí)器。每個(gè)計(jì)時(shí)器都有定義自己的clocksource結(jié)構(gòu)，其中包含如下一些屬性域：優(yōu)先級rating，值越大表示計(jì)時(shí)器的優(yōu)先級越高。轉(zhuǎn)換關(guān)系mult和shift，用于計(jì)時(shí)單位數(shù)與納秒數(shù)之間的互換，兩者之間的關(guān)系是mult=1個(gè)計(jì)時(shí)單位的長度(納秒)*2shift。對jiffies計(jì)時(shí)器，1個(gè)計(jì)時(shí)單位就是1個(gè)滴答。對HPET計(jì)時(shí)器，1個(gè)計(jì)時(shí)單位就是一個(gè)輸入脈沖周期。1第五章 時(shí)

鐘

管

理(3)操作函數(shù)，其中read和vread用于獲得計(jì)時(shí)器的當(dāng)前

值，resume用于恢復(fù)計(jì)時(shí)器的運(yùn)行，enable和disable用于開、關(guān)計(jì)時(shí)器等。計(jì)時(shí)器可動(dòng)態(tài)地注冊、注銷，并可暫停、恢復(fù)。系統(tǒng)中所有已注冊的clocksource結(jié)構(gòu)都被組織在鏈表clocksource_list中，高優(yōu)先級的在前，低優(yōu)先級的在后。指針curr_clocksource指向當(dāng)前使用的計(jì)時(shí)器，通常是已注冊且優(yōu)先級最高的計(jì)時(shí)器。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)前計(jì)時(shí)器可以被改變。1第五章 時(shí)

鐘

管

理在目前的Linux版本中，可用的計(jì)時(shí)器已有多種，包括基于jiffies的計(jì)時(shí)器、基于TSC的計(jì)時(shí)器、基于HPET的計(jì)時(shí)器等?；趈iffies的計(jì)時(shí)器是最傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)器，它所計(jì)的是相對時(shí)間。Jiffies計(jì)時(shí)器建立在變量jiffies之上，或者說就是jiffies變量，其計(jì)時(shí)單位是滴答。如果系統(tǒng)使用的時(shí)鐘設(shè)備是PIT，時(shí)鐘中斷的頻率Hz是1000，那么一個(gè)滴答的長度約為999

847

ns，略小于106ns(1毫秒的納秒數(shù))。Jiffies計(jì)時(shí)器的read操作所讀出的是jiffies變量的當(dāng)前值。1第五章 時(shí)

鐘

管

理基于jiffies的計(jì)時(shí)器誤差較大，精度較低，而且會受時(shí)鐘中斷丟失的影響，因而其優(yōu)先級最低(為1)，通常僅用做備用計(jì)時(shí)器。如果系統(tǒng)中配置有HPET，系統(tǒng)會在使能它時(shí)注冊基于HPET的計(jì)時(shí)器。HPET的計(jì)時(shí)頻率是其主計(jì)數(shù)器的增長頻率，計(jì)時(shí)單位即是其輸入時(shí)鐘的周期(可以從HPET的寄存器中讀出)，不大于100

ns。因而HPET計(jì)時(shí)器的精度遠(yuǎn)高于jiffies計(jì)時(shí)器，優(yōu)先級為250，也遠(yuǎn)高于jiffies計(jì)時(shí)器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理HPET計(jì)時(shí)器建立在其主計(jì)數(shù)器之上，或者說就是HPET的主計(jì)數(shù)器。在啟用HPET時(shí)，其主計(jì)數(shù)器被清0，所以HPET計(jì)時(shí)器所計(jì)的也是相對時(shí)間。HPET計(jì)時(shí)器的read操作所讀出的是主計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。TSC(Time

Stamp

Counter)是Intel處理器提供的一個(gè)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器在開機(jī)或RESET時(shí)清0，在處理器運(yùn)行過程中單調(diào)增長。在較老的處理器上，每個(gè)內(nèi)部處理器時(shí)鐘周期都會使TSC遞增；在新的處理器上，TSC可按固

定速率遞增。Intel提供了專門的指令RDTSC用于讀取TSC的當(dāng)前值。1第五章 時(shí)

鐘

管

理TSC的計(jì)時(shí)單位取決于處理器的時(shí)鐘周期，需要估算。Linux初始化時(shí)已利用PIT的第2個(gè)計(jì)數(shù)器(用于揚(yáng)聲器)估算出了TSC的計(jì)數(shù)頻率，估算的方法很直觀，如下：讀出TSC的當(dāng)前計(jì)數(shù)值tsc1。等待PIT第2個(gè)計(jì)數(shù)器的值減少i個(gè)，即延時(shí)(i×1000/1

193

182)ms。再讀出TSC的當(dāng)前計(jì)數(shù)值tsc2。TSC的計(jì)數(shù)頻率tsc_khz=((tsc2-tsc1)×1

193182)/(i×1000)kHz。當(dāng)然，當(dāng)處理器調(diào)整時(shí)鐘頻率時(shí)，其TSC的計(jì)數(shù)頻率還需要重新估算。1第五章 時(shí)

鐘

管

理TSC計(jì)時(shí)器的read操作所讀出的是TSC計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。

由于目前處理器的時(shí)鐘頻率都比較高(1

GHz以上)，因而TSC的計(jì)時(shí)精度很高。TSC計(jì)時(shí)器的優(yōu)先級為300，是最佳的計(jì)時(shí)器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理初始情況下，時(shí)鐘設(shè)備也被設(shè)定在周期中斷模式，用于產(chǎn)生周期性時(shí)鐘中斷。操作系統(tǒng)在周期性時(shí)鐘中斷處理中完成與時(shí)間相關(guān)的所有管理工作，如時(shí)間管理(更新當(dāng)前時(shí)間)、定時(shí)管理(處理各類到期的定時(shí)器)、進(jìn)程時(shí)間片管理、系統(tǒng)負(fù)載統(tǒng)計(jì)等。1時(shí)鐘設(shè)備的5.原4始設(shè)周計(jì)期目標(biāo)性是時(shí)產(chǎn)生鐘周中期性斷的時(shí)鐘中斷。第五章 時(shí)

鐘

管

理5.4.1

周期性時(shí)鐘中斷處理1在早期的版本中，Linux將周期性時(shí)鐘中斷的處理過程分成上下兩部分。上部處理在關(guān)中斷狀態(tài)下執(zhí)行，僅僅累計(jì)變量jiffies。底半處理在開中斷狀態(tài)下執(zhí)行，完成與時(shí)間相關(guān)的管理工作。由于時(shí)鐘中斷可能丟失、底半處理可能被推遲，因而上述處理過程可能導(dǎo)致較大的時(shí)間誤差。在新的Linux版本中，時(shí)鐘中斷的大部分處理工作被移到了硬處理部分，其處理流程依賴于處理器當(dāng)前選用的時(shí)鐘設(shè)備。第五章 時(shí)

鐘

管

理處理器可能選用全局時(shí)鐘設(shè)備。全局時(shí)鐘設(shè)備產(chǎn)生的中斷屬于設(shè)備中斷，使用的IRQ號是0，中斷控制器為它遞交的中斷向量號是0x30。在系統(tǒng)初始化時(shí)，已在IRQ0對應(yīng)的irq_desc結(jié)構(gòu)中注冊了處理程序timer_interrupt。每當(dāng)全局時(shí)鐘設(shè)備產(chǎn)生中斷時(shí)，按照正常的設(shè)備中斷處理流程，函數(shù)timer_interrupt都會被執(zhí)行一次，該函數(shù)直接調(diào)用全局時(shí)鐘設(shè)備的處理函數(shù)global_clock_event->event_handler完成中斷處理。初始情況下，全局時(shí)鐘設(shè)備的處理函數(shù)是tick_handle_periodic。1第五章 時(shí)

鐘

管

理然而在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，處理器通常都會選用自己的LocalAPIC

Timer作為時(shí)鐘設(shè)備。LocalAPIC

Timer產(chǎn)生的時(shí)鐘中斷屬于局部中斷，中斷向量號是0xef，中斷處理函數(shù)是apic_timer_interrupt。局部時(shí)鐘中斷的處理流程如下：向Local

APIC的EOI寄存器寫0，應(yīng)答此次時(shí)鐘中斷。增加preempt_count中的硬處理計(jì)數(shù)，表示進(jìn)入硬中斷處理程序。累計(jì)當(dāng)前處理器的統(tǒng)計(jì)信息，表示新收到一次局部時(shí)鐘中斷。1第五章 時(shí)

鐘

管

理執(zhí)行本地clock_event_device結(jié)構(gòu)中的event_handler操作，處理中斷。減少preempt_count中的硬處理計(jì)數(shù)，表示已退出硬中斷處理程序。由此可見，局部時(shí)鐘中斷實(shí)際是由局部時(shí)鐘設(shè)備的event_handler操作處理的。處理器在選用局部時(shí)鐘設(shè)備時(shí)為它指定的event_handler操作也是tick_handle_periodic。因此，不管處理器選用的是全局時(shí)鐘設(shè)備還是局部時(shí)鐘設(shè)備，最終完成周期性時(shí)鐘中斷處理的都是函數(shù)tick_handle_periodic，該函數(shù)完成的主要處理工作如下：1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果當(dāng)前處理器負(fù)責(zé)全局部分的處理工作，則更新系統(tǒng)時(shí)間、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)負(fù)載。統(tǒng)計(jì)當(dāng)前進(jìn)程的賬務(wù)信息，如累計(jì)進(jìn)程消耗的時(shí)間等。處理高精度定時(shí)器隊(duì)列，執(zhí)行其中已到期的各高精度定時(shí)器上的處理函數(shù)。激活軟中斷TIMER_SOFTIRQ，請求處理核心定時(shí)器，并試圖將時(shí)鐘設(shè)備切換到單發(fā)中斷模式。如果當(dāng)前處理器上有待處理器的RCU工作，則激活軟中斷RCU_SOFTIRQ。1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果有待處理的日志寫操作，則處理它們。更新當(dāng)前進(jìn)程的調(diào)度信息(參見7.3.5)，如更新當(dāng)前進(jìn)程的虛擬計(jì)時(shí)器或時(shí)間片，觸發(fā)處理器間的負(fù)載平衡等。處理符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間間隔定時(shí)器。統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的Profile數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行性能分析。注意：在切換到單發(fā)中斷模式之后，時(shí)鐘設(shè)備即不再產(chǎn)生周期性的時(shí)鐘中斷，其處理程序也就不會再被執(zhí)行，周期性時(shí)鐘中斷的處理工作將被設(shè)法仿真。1第五章 時(shí)

鐘

管

理5.4.2

時(shí)間管理1時(shí)間管理子系統(tǒng)的主要工作是向用戶提供單調(diào)且平滑增長的、符合人類閱讀習(xí)慣的墻上時(shí)間(Wall

Time

or

Timeof

Day)，并能自動(dòng)對時(shí)鐘的漂移進(jìn)行微調(diào)。傳統(tǒng)的時(shí)間管理機(jī)制建立在周期性時(shí)鐘中斷之上，簡單但不準(zhǔn)確，且可能違犯單調(diào)增長的原則。新的時(shí)間管理機(jī)制建立在高精度計(jì)時(shí)器之上，能夠提供單調(diào)、平滑、精確的時(shí)間服務(wù)。在早期的版本中，Linux定義了兩個(gè)時(shí)間變量，其中jiffies的單位為滴答，內(nèi)容是從開機(jī)到當(dāng)前時(shí)刻所過去的滴答總數(shù)，稱為相對時(shí)間；第五章 時(shí)

鐘

管

理xtime的單位是微秒，內(nèi)容是從1970-01-01

00:00:00到當(dāng)前時(shí)刻所過去的微秒數(shù)，稱為墻上時(shí)間。變量jiffies的類型是32位的無符號整數(shù)，變量xtime的類型是一個(gè)結(jié)構(gòu)，其中包含兩個(gè)32位的整數(shù)，分別表示秒和微秒數(shù)，兩者之和為真正的墻上時(shí)間。在隨后的發(fā)展中，時(shí)鐘中斷的頻率(Hz)提高了(jiffies更易溢出)，對時(shí)間精度的要求也提高了(納秒)，因而Linux調(diào)整了上述兩個(gè)變量的定義，如下：1第五章 時(shí)

鐘

管

理u641jiffies_64_

_/view6/M05/3B/04/wKh2Cl1DyB第五章 時(shí)

鐘

管

理_

_attribute_

_((aligned

(16)));struct

timespec

wall_to_monotonic

__attribute_

_

((aligned

(16)));static

struct

timespec

xtime_/view6/M05/3B/04/wKh2C1第五章 時(shí)

鐘

管

理在系統(tǒng)初始化時(shí)，已經(jīng)從RTC中取出了當(dāng)前時(shí)間(分別為year、mon、day、hour、min、sec)，并已將它們轉(zhuǎn)化成了相當(dāng)于1970-01-01

00:00:00的秒數(shù)。轉(zhuǎn)化算法如下：將mon提前2月。將mon減2，如果mon<=0，則將

year減1，mon加12。轉(zhuǎn)換后的秒數(shù)=

((((year/4

-

year/100

+

year/400

+367

×

mon

/12

+

day)+year

×

365

-

719499

)×24+hour)×60+min)×60+sec。1第五章 時(shí)

鐘

管

理在變量xtime中，域tv_sec的初值就是這一轉(zhuǎn)化后的秒數(shù)，域tv_nsec的初值是0。傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方法是：每收到一個(gè)時(shí)鐘中斷就在jiffies上加1，同時(shí)在xtime上累加1個(gè)滴答的時(shí)間量(如1

ms)。變量wall_to_monotonic用于計(jì)算開機(jī)以來新流逝的時(shí)間量(相對時(shí)間)，其初值與xtime相反，且在時(shí)鐘中斷處理中保持不變。因而wall_to_monotonic與xtime的和就是開機(jī)后新流逝是時(shí)間量。這種計(jì)算方法比jiffies更準(zhǔn)確。1第五章 時(shí)

鐘

管

理在系統(tǒng)初始化時(shí)，Linux還定義了一個(gè)timekeeper結(jié)構(gòu)，用于記錄系統(tǒng)當(dāng)前選用的計(jì)時(shí)器和一些計(jì)時(shí)參數(shù)，如

cycle_last是上一次更新墻上時(shí)間的時(shí)刻，xtime_nsec是累計(jì)的計(jì)時(shí)誤差，cycle_interval是一個(gè)時(shí)間更新周期(1個(gè)滴答或1個(gè)NTP校驗(yàn)周期)所對應(yīng)的計(jì)時(shí)單位數(shù)，xtime_interval和raw_interval都是一個(gè)時(shí)間更新周期的長度(納秒數(shù))，前者經(jīng)過了NTP(Network

Time

Protocol)校準(zhǔn)，后者未經(jīng)過校準(zhǔn)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理NTP是一種常用的時(shí)間校準(zhǔn)機(jī)制，用于校正墻上時(shí)間。負(fù)責(zé)全局工作的處理器會在自己的周期性時(shí)鐘中斷處理中更新系統(tǒng)時(shí)間，時(shí)間更新的依據(jù)是當(dāng)前使用的計(jì)時(shí)器。時(shí)間更新的處理流程如下：將jiffies_64加1，因而jiffies也被自動(dòng)加1。從timekeeper中取出上次進(jìn)行時(shí)間更新的時(shí)間cycle_last，從系統(tǒng)當(dāng)前選用的計(jì)時(shí)器中取出當(dāng)前時(shí)間，算出兩者之間的時(shí)間差offset。根據(jù)offset和時(shí)間更新周期(cycle_interval)算出自上次時(shí)間更新以來新流逝的滴答數(shù)。由于時(shí)鐘中斷可能丟失，因而新流逝的滴答數(shù)可能大于1。1第五章 時(shí)

鐘

管

理根據(jù)新流逝的滴答數(shù)調(diào)整xtime中的tv_sec和tv_nsec，同時(shí)調(diào)整timekeeper中的累計(jì)誤差，并將cycle_last更新成最近一個(gè)時(shí)鐘中斷產(chǎn)生的時(shí)刻。根據(jù)timekeeper中的累計(jì)計(jì)時(shí)誤差微調(diào)它的mult、xtime_interval、xtime_nsec等參數(shù)，從而校準(zhǔn)計(jì)時(shí)器。減去已累加到xtime中的時(shí)間量之后，offset中可能還有部分剩余，剩余量肯定小于1個(gè)滴答。將剩余的時(shí)間量累計(jì)到變量xtime_/view6/M05/3B/04/wKh2Cl1DyBeAeBD0AAdzuj51第五章 時(shí)

鐘

管

理(6)將xtime中的時(shí)間值拷貝到vsyscall頁中。vsyscall頁已被映射到所有進(jìn)程的虛擬地址空間中，用戶進(jìn)程可以直接訪問其中的內(nèi)容，因而可直接獲得當(dāng)前時(shí)間，從而減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，加快進(jìn)程運(yùn)行速度。由此可見，xtime和xtime_/view6/M05/3B/04/wKh2Cl1DyBeA1第五章 時(shí)

鐘

管

理與傳統(tǒng)計(jì)時(shí)方法相比，上述計(jì)時(shí)方法已不再依賴于jiffies，因而更加精確。雖然時(shí)鐘中斷可能丟失，jiffies可能不準(zhǔn)確，但只要收到時(shí)鐘中斷，xtime就會被更新成準(zhǔn)確的當(dāng)前時(shí)間，因?yàn)閤time的更新依據(jù)是高精度計(jì)時(shí)器，如TSC、HPET等，而高精度計(jì)時(shí)器的更新是由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，不會受關(guān)中斷的影響，也不會丟失。即使出現(xiàn)xtime被延遲更新的現(xiàn)象，用戶通過gettimeofday獲得的當(dāng)前時(shí)間也是精確的，因?yàn)樗趚time上加入了新流逝的時(shí)間量，而新流逝的時(shí)間量也取自高精度計(jì)時(shí)器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理在新的計(jì)時(shí)方法中，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間(相對時(shí)間)由

wall_to_monotonic和xtime計(jì)算得來，也不再依賴于jiffies，因而更加精確且保證會單調(diào)增長。事實(shí)上，新的時(shí)間管理子系統(tǒng)已擺脫了對jiffies的依賴，可以在單發(fā)式時(shí)鐘中斷驅(qū)動(dòng)下很好地工作。1第五章 時(shí)

鐘

管

理5.4.3

定時(shí)管理1以周期性時(shí)鐘中斷為基礎(chǔ)，可以提供多種定時(shí)器。使用定時(shí)器的目的有兩種，一是超時(shí)，目的是監(jiān)測某事件是否會在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，一旦事件發(fā)生，定時(shí)器將被關(guān)閉，定時(shí)器到期表示事件未發(fā)生；二是定時(shí)，目的是預(yù)定某項(xiàng)工作的停止或開始時(shí)間，一旦到期，工作必須立刻停止或開始。用做超時(shí)的定時(shí)器幾乎都會在到期前被關(guān)閉，且不需要很高的精度。用做定時(shí)的定時(shí)器通常會運(yùn)行到預(yù)定的時(shí)間，且需要較高的精度。早期的Linux提供了兩類定時(shí)器，一類是內(nèi)核自己使用的，稱核心定時(shí)器或低精度定時(shí)器；第五章 時(shí)

鐘

管

理另一類是給用戶進(jìn)程使用的，稱時(shí)間間隔定時(shí)器。兩類定時(shí)器都建立在jiffies基礎(chǔ)之上，由周期性時(shí)鐘中斷驅(qū)動(dòng)，定時(shí)精度較低。在新版本中，Linux又提供了第三類定時(shí)器，稱為高精度定時(shí)器。高精度定時(shí)器的基礎(chǔ)是高精度時(shí)鐘設(shè)備。1第五章 時(shí)

鐘

管

理1.核心定時(shí)器管理1核心定時(shí)器是最基本的一類定時(shí)器，它所定的是相對于jiffies的時(shí)間，單位為滴答。當(dāng)jiffies的值達(dá)到或超過某核心定時(shí)器的到期時(shí)間時(shí)，該定時(shí)器到期，它的處理函數(shù)會被執(zhí)行一次。在高精度定時(shí)機(jī)制被啟用之前，核心定時(shí)器由周期性時(shí)鐘中斷驅(qū)動(dòng)；在高精度定時(shí)機(jī)制被啟用之后，核心定時(shí)器由高精度定時(shí)器驅(qū)動(dòng)。一個(gè)核心定時(shí)器由一個(gè)結(jié)構(gòu)timer_list描述，其主要內(nèi)容如下：struct

timer_list

{struct

list_head

entry;第五章 時(shí)

鐘

管

理//預(yù)定的1unsigned

long

expires;到期時(shí)間//到期處void

(*function)(unsigned

long);理函數(shù)data;//給處理*base;//定時(shí)器unsigned

long函數(shù)的參數(shù)struct

tvec_base當(dāng)前所屬的隊(duì)列組集合};第五章 時(shí)

鐘

管

理Linux定義了512個(gè)隊(duì)列用于組織單個(gè)處理器中的核心定時(shí)器，這些隊(duì)列被分成5組，其中tv1組中有256個(gè)隊(duì)列，tv2、tv3、tv4、tv5組中各有64個(gè)隊(duì)列。struct

tvec

{1vec[TVN_SIZE];//vec[TVR_SIZE];//struct

list_headTVN_SIZE=64};struct

tvec_root

{struct

list_headTVR_SIZE=256};第五章 時(shí)

鐘

管

理lock;1//*running_timer;

//struct

tvec_base

{spinlock_t保護(hù)隊(duì)列組的自旋鎖struct

timer_list正在被處理的定時(shí)器unsigned

long

timer_jiffies;

//下一次處理時(shí)間struct

tvec_rootstruct

tvectv1;tv2;第五章時(shí)鐘管理struct

tvecstruct

tvecstruct

tvectv3;tv4;tv5;}

_/view6/M05/3B/04/wKh2Cl1DyBeAeBD0AAdzuj5sPdA17

141第五章 時(shí)

鐘

管

理早期的Linux僅定義了一個(gè)核心定時(shí)器隊(duì)列組集合。新版本的Linux為每個(gè)處理器都定義了一個(gè)核心定時(shí)器隊(duì)列組集合。一個(gè)定時(shí)器僅能加入到一個(gè)隊(duì)列中，因而僅能屬于一個(gè)處理器。指針tvec_bases指向各處理器自己的定時(shí)器隊(duì)列組集合，如圖5.4所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.4核心定時(shí)器的隊(duì)列組集合結(jié)構(gòu)1第五章 時(shí)

鐘

管

理在一個(gè)核心定時(shí)器的隊(duì)列組集合中，不同隊(duì)列組的定時(shí)范圍不同，相鄰隊(duì)列間的時(shí)間差(粒度)也不同。這一組織方式在保證管理效率的前提下有效地減少了定時(shí)器隊(duì)列的數(shù)量。表5.1列出了各隊(duì)列組的定時(shí)范圍及隊(duì)列組中相鄰隊(duì)列間的時(shí)間差。1第五章 時(shí)

鐘

管

理表5.1隊(duì)列組的定時(shí)范圍及相鄰隊(duì)列間的時(shí)間差1第五章 時(shí)

鐘

管

理在一個(gè)核心定時(shí)器定時(shí)期間，它所處的隊(duì)列組(tvi)會

逐漸變化。定時(shí)器當(dāng)前所處的隊(duì)列組取決于它的定時(shí)間隔，即與當(dāng)前時(shí)刻的距離，也就是預(yù)定的到期時(shí)間(expires)與隊(duì)列組集合中timer_jiffies的差值，該差值落在哪個(gè)隊(duì)列組的定時(shí)范圍，定時(shí)器就應(yīng)該進(jìn)入哪個(gè)隊(duì)列組。隨著時(shí)間的流逝，定時(shí)器的到期時(shí)間越來越近，它所處的隊(duì)列組也會越來越小。到期的定時(shí)器永遠(yuǎn)都在tv1中。核心定時(shí)器在一個(gè)隊(duì)列組中的位置(隊(duì)列)僅取決于它

的到期時(shí)間(expires)而與它的定時(shí)間隔無關(guān)。定時(shí)器的到期時(shí)間是一個(gè)32位的無符號整數(shù)，被分成5段，分別對應(yīng)5個(gè)隊(duì)列組，如圖5.5所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.5定時(shí)器到期時(shí)間(expires)的劃分1第五章 時(shí)

鐘

管

理如一個(gè)核心定時(shí)器應(yīng)進(jìn)入第i

(i在1到5之間)個(gè)隊(duì)列組，其expires的tvi段的值是j，那么該定時(shí)器應(yīng)被插入在第i個(gè)隊(duì)列組的第j個(gè)隊(duì)列中。由于定時(shí)器的expires不會改變，它在隊(duì)列組內(nèi)部的位置就不會隨著時(shí)間的流逝而變動(dòng)。也就是1說，核心定時(shí)器僅會在隊(duì)列組間移動(dòng)，不需要在隊(duì)列組內(nèi)移動(dòng)。最壞情況下，一個(gè)定時(shí)器會被移動(dòng)4次，從tv5到tv4、tv4到tv3、tv3到tv2、tv2到tv1，形成了一個(gè)逐級下降的瀑布，因而這種管理模型又稱為瀑布模型。瀑布模型極大地減少了核心定時(shí)器管理的工作量。第五章 時(shí)

鐘

管

理瀑布模型與人類的計(jì)時(shí)習(xí)慣完全吻合。定時(shí)距離越近，定時(shí)粒度應(yīng)該越小，對它的管理應(yīng)越細(xì)致；定時(shí)距離越遠(yuǎn)，定時(shí)粒度應(yīng)該越大，對它的管理可以更粗放。啟動(dòng)一個(gè)核心定時(shí)器的工作包括設(shè)置好它的處理函數(shù)和到期時(shí)間，確定它所在的定時(shí)隊(duì)列，而后將它的timer_list結(jié)構(gòu)插入到隊(duì)列(隊(duì)頭或隊(duì)尾)中。停止一個(gè)核心定時(shí)器就是將其timer_list結(jié)構(gòu)從隊(duì)列中摘下。在隊(duì)列間移動(dòng)核心定時(shí)器的工作包括兩步，即先將其從老隊(duì)列中摘下(刪除)，再根據(jù)它的expires將其插入到新隊(duì)列中。1第五章 時(shí)

鐘

管

理通過刪除和再插入，可以在同一個(gè)隊(duì)列組集合內(nèi)移動(dòng)定時(shí)器，也可以在不同隊(duì)列組集合間移動(dòng)定時(shí)器，即在不同的處理器間移動(dòng)定時(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的負(fù)載平衡。當(dāng)然，移動(dòng)定時(shí)器的過程需要鎖(tvec_base中的lock)的保護(hù)。在核心定時(shí)器定時(shí)期間，可以改變它的到期時(shí)間。定時(shí)器的到期時(shí)間被改變之后，它所在的隊(duì)列也應(yīng)隨之改變。核心定時(shí)器由周期性時(shí)鐘中斷驅(qū)動(dòng)。處理器每收到一次時(shí)鐘中斷，不管它來自全局還是局部時(shí)鐘設(shè)備，都會在硬處理程序中激活一次軟中斷TIMER_SOFTIRQ。在系統(tǒng)初始化時(shí)，為該軟中斷注冊的處理程序是run_timer_softirq。1第五章 時(shí)

鐘

管

理因而，只要處理器處理軟中斷TIMER_SOFTIRQ，函數(shù)run_timer_softirq就會被執(zhí)行。只要jiffies的當(dāng)前值達(dá)到或超過了隊(duì)列組集合中的timer_jiffies，其上的核心定時(shí)器就會被檢查并被處理。早期的Linux為核心定時(shí)器的每個(gè)隊(duì)列組都定義了一個(gè)index，用來指示該隊(duì)列組中下一個(gè)待處理的隊(duì)列。當(dāng)index所指隊(duì)列被處理完后，index加1，指向下一個(gè)隊(duì)列。新版本的Linux去掉了各隊(duì)列組中的index，改用隊(duì)列組集合中的timer_jiffies統(tǒng)一指示各隊(duì)列組中的下一個(gè)待處理隊(duì)列，如圖5.6所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.6

timer_jiffies與定時(shí)器隊(duì)列的關(guān)系1第五章 時(shí)

鐘

管

理與expires一樣，timer_jiffies也被劃分成了5個(gè)部分，分別用于指示5個(gè)的隊(duì)列組中的待處理隊(duì)列。域timer_jiffies的初值是隊(duì)列組集合初始化時(shí)的jiffies，在隨后的處理中，timer_jiffies的值會不斷遞增，與jiffies基本保持一致，從而使各組中的隊(duì)列被輪流處理，因此核心定時(shí)機(jī)制又被稱為時(shí)間輪(Timing-Wheel)。核心定時(shí)器的處理流程如下：取出timer_jiffies中的tv1部分，暫記在index中。如果index是0，說明tv1的所有隊(duì)列已被處理過一遍，時(shí)間又過去了256個(gè)滴答，tv2的待處理隊(duì)列上的定時(shí)器距離到期時(shí)間已不足256個(gè)滴答，應(yīng)該將它們下移到tv1中。1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果timer_jiffies中的tv2部分是0，說明tv2的所有隊(duì)列已被處理過一遍，時(shí)間又過去了256×64個(gè)滴答，tv3的待處理隊(duì)列上的定時(shí)器距離到期時(shí)間已不足256×64個(gè)滴答，應(yīng)該將它們下移到tv2中。如果timer_jiffies中的tv3部分是0，說明tv3的所有隊(duì)列已被處理過一遍，時(shí)間又過去了256×64×64個(gè)滴答，tv4的待處理隊(duì)列上的定時(shí)器距離到期時(shí)間已不足256×

64×64個(gè)滴答，應(yīng)該將它們下移到tv3中。1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果timer_jiffies中的tv4部分是0，說明tv4的所有隊(duì)列已被處理過一遍，時(shí)間又過去了256×64×64×64個(gè)滴答，tv5的待處理隊(duì)列上的定時(shí)器距離到期時(shí)間已不足256×64×64×64個(gè)滴答，應(yīng)該將它們下移到tv4中。將timer_jiffies加1。在tv1中，index所指的是已到期的定時(shí)器隊(duì)列。摘下該隊(duì)列中的所有定時(shí)器，將隊(duì)列清空，而后逐個(gè)執(zhí)行各到期定時(shí)器上的處理函數(shù)function。如果timer_jiffies仍然未超過jiffies的當(dāng)前值，說明還有到期的定時(shí)器，轉(zhuǎn)(1)進(jìn)行新一輪的處理。1第五章 時(shí)

鐘

管

理正常情況下，當(dāng)處理核心定時(shí)器時(shí)，隊(duì)列組集合中的timer_jiffies應(yīng)等于jiffies。但由于軟中斷可能被延遲，jiff有可能超過timer_jiffies。這也說明核心定時(shí)器的定時(shí)不是十分精確。1綜上所述，核心定時(shí)器的插入、刪除操作都很快，與系統(tǒng)中的定時(shí)器數(shù)量無關(guān)，算法的時(shí)間復(fù)雜度是O(1)。核心定時(shí)器下移的平均時(shí)間復(fù)雜度很好，但最壞時(shí)間復(fù)雜度較差，為O(n)，可能會增加定時(shí)處理的延遲時(shí)間。因而，核心定時(shí)器比較適合較近的定時(shí)(小于256滴答)、在到期或被下移之前就被刪除的定時(shí)，如網(wǎng)絡(luò)的超時(shí)定時(shí)等。第五章 時(shí)

鐘

管

理2.高精度定時(shí)器管理1建立在周期性時(shí)鐘中斷基礎(chǔ)上的核心定時(shí)器所實(shí)現(xiàn)的定時(shí)粒度為滴答(毫秒級)，且最壞時(shí)間復(fù)雜性較差，無法提供更精確的定時(shí)服務(wù)。1998年以來，人們嘗試了多種方法，試圖在核心定時(shí)器的管理框架中集成高精度定時(shí)器，但都沒有達(dá)到理想的效果。直到2006年，在Linux

2.6.16中，以高精度時(shí)鐘設(shè)備為基礎(chǔ)，新設(shè)計(jì)了一種高精度定時(shí)器的管理框架，才解決了高精度定時(shí)器的管理問題。與核心定時(shí)器相似，一個(gè)高精度定時(shí)器也需要一個(gè)描

述結(jié)構(gòu)，用于記錄它的到期時(shí)間(_expires)、到期處理函數(shù)(function)、定時(shí)器狀態(tài)等，該結(jié)構(gòu)為hrtimer，定義如下：第五章 時(shí)

鐘

管

理node;1struct

hrtimer

{struct

rb_nodektime_t_expires;ktime_t

_softexpires;enum

hrtimer_restart

(*function)(struct

hrtimer

*);*base;state;struct

hrtimer_clock_baseunsigned

long};第五章 時(shí)

鐘

管

理可以為高精度定時(shí)器預(yù)定一個(gè)到期時(shí)間范圍，從1_softexpires到_expires，但定時(shí)仍以_expires為準(zhǔn)。定時(shí)器的狀態(tài)包括未啟動(dòng)、已入隊(duì)、正在處理、正在遷移等。由于系統(tǒng)中可能同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)高精度定時(shí)器，因而需要另外一種結(jié)構(gòu)來組織、管理它們的hrtimer結(jié)構(gòu)。根據(jù)高精度定時(shí)器的管理要求，所有的hrtimer結(jié)構(gòu)應(yīng)該組成一個(gè)有序隊(duì)列，隊(duì)頭的定時(shí)器最早到期，隊(duì)尾的定時(shí)器最遲到期。雖然可以用鏈表實(shí)現(xiàn)有序隊(duì)列，但有序鏈表的插入時(shí)間較長，最壞時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。第五章 時(shí)

鐘

管

理為改善有序隊(duì)列的管理性能，Linux引入了紅黑樹，將已啟動(dòng)的高精度定時(shí)器組織在紅黑樹中，從而使插入、刪除和查找的時(shí)間復(fù)雜度都縮減到了O(log(n))。結(jié)構(gòu)hrtimer中的

node用于將高精度定時(shí)器鏈接到紅黑樹中。一棵紅黑樹由一個(gè)hrtimer_clock_base結(jié)構(gòu)描述，其定義如下：1struct

hrtimer_clock_base

{struct

hrtimer_cpu_baseclockid_t*cpu_base;index;struct

rb_root

active;第五章 時(shí)

鐘

管

理struct

rb_nodektime_t1*first;resolution;ktime_t

(*get_time)(void);softirq_time;offset;ktime_tktime_t};第五章 時(shí)

鐘

管

理其中的active是紅黑樹的根，first是紅黑樹中最左邊的節(jié)點(diǎn)，也就是最早到期的高精度定時(shí)器，resolution是定時(shí)精度(未啟用高精度定時(shí)機(jī)制時(shí)的精度是1個(gè)滴答、啟用后的精度為1ns)，offset是定時(shí)的基準(zhǔn)時(shí)間，softirq_time是系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間，get_time是從計(jì)時(shí)器中讀取當(dāng)前時(shí)間的操作函數(shù)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理高精度定時(shí)器對到期時(shí)間的表示方法有兩種，一種是絕對時(shí)間(指定一個(gè)絕對的到期時(shí)刻)，即定時(shí)到某年某月某日的某時(shí)某分某秒某納秒為止；另一種是相對時(shí)間(指定一個(gè)定時(shí)間隔)，即從當(dāng)前時(shí)間開始定時(shí)，在某納秒之后到期。采用絕對時(shí)間的定時(shí)器稱為絕對時(shí)間定時(shí)器，采用相對時(shí)間的定時(shí)器稱為相對時(shí)間定時(shí)器。雖然可以用統(tǒng)一的方式表示它們，但Linux提供了兩棵紅黑樹，分別用于組織兩類不同的高精度定時(shí)器。結(jié)構(gòu)hrtimer_cpu_base用于描述這兩棵紅黑樹，其定義如下：1第五章 時(shí)

鐘

管

理struct

hrtimer_cpu_base

{1lock;clock_base[2];//spinlock_tstruct

hrtimer_clock_base兩棵紅黑樹ktime_texpires_next;//時(shí)鐘設(shè)備下次產(chǎn)生中斷的時(shí)間intunsignednr_events;hres_active;

//是//累計(jì)到期次long};第五章 時(shí)

鐘

管

理在實(shí)現(xiàn)時(shí)，時(shí)鐘設(shè)備下次產(chǎn)生中斷的時(shí)間expires_next被統(tǒng)一成了相對于開機(jī)時(shí)刻的偏移量，單位為ns。與核心定時(shí)器不同，高精度定時(shí)機(jī)制必須顯式地啟用。域hres_active記錄一個(gè)處理器上的高精度定時(shí)機(jī)制是否已被啟用。與核心定時(shí)器相似，為了避免沖突，Linux在PERCPU

數(shù)據(jù)區(qū)中為每個(gè)處理器定義了一個(gè)紅黑樹管理結(jié)構(gòu)，稱為hrtimer_bases，其中的第0棵樹為絕對時(shí)間紅黑樹，讀取當(dāng)前時(shí)間的操作函數(shù)為ktime_get_real；第1棵樹為相對時(shí)間紅黑樹，讀取當(dāng)前時(shí)間的操作函數(shù)為ktime_get。兩棵樹中的初始定時(shí)精度resolution都是1個(gè)滴答。管理結(jié)構(gòu)如圖5.7所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.7高精度定時(shí)器的管理結(jié)構(gòu)1第五章 時(shí)

鐘

管

理不管是否已啟用高精度定時(shí)機(jī)制，都可以啟動(dòng)高精度定時(shí)器。在啟動(dòng)一個(gè)高精度定時(shí)器之前，需要先初始化它的hrtimer結(jié)構(gòu)，設(shè)置好它的到期時(shí)間(_expires)、到期處理函數(shù)、類型(絕對或相對)等，而后按到期時(shí)間的先后順序?qū)⑵洳迦氲脚c定時(shí)器類型匹配的紅黑樹中。如果高精度定時(shí)機(jī)制已被啟用，且新啟動(dòng)定時(shí)器的相對到期時(shí)間(_expires與offset的差)比預(yù)定的下一次中斷時(shí)間expires_next更早，則要對時(shí)鐘設(shè)備進(jìn)行重新編程，以調(diào)整它的下一次中斷時(shí)間。1第五章 時(shí)

鐘

管

理如果高精度定時(shí)機(jī)制未被啟用，則不需要對時(shí)鐘設(shè)備進(jìn)行重新編程。如果在此期間新啟動(dòng)的定時(shí)器已經(jīng)到期，則要激活軟中斷HRTIMER_SOFTIRQ，檢查并處理已到期的高精度定時(shí)器。在高精度定時(shí)器到期之前可以將其停止。停止一個(gè)高精度定時(shí)器的主要工作是將其從紅黑樹中摘除。如果高精度定時(shí)機(jī)制已被啟用，且被停止的定時(shí)器位于紅黑樹的最左邊，則要對時(shí)鐘設(shè)備進(jìn)行重新編程，以調(diào)整它的下一次中斷時(shí)間。最左邊的定時(shí)器被摘除后，它的下一個(gè)定時(shí)器會變成最左邊的定時(shí)器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理在一個(gè)高精度定時(shí)器定時(shí)期間，可以改變它的到期時(shí)間。定時(shí)器的到期時(shí)間被改變之后，它在紅黑樹中的位置也要隨之調(diào)整(先摘下、再插入)。在一個(gè)高精度定時(shí)器定時(shí)期間，可以將其從一個(gè)處理器遷移到另一個(gè)處理器(平衡負(fù)載)。遷移一個(gè)定時(shí)器的工作包括將其從老紅黑樹中摘下，再插入到新的紅黑樹中。在初始情況下，高精度定時(shí)機(jī)制都未被啟用(hres_active是0)，各時(shí)鐘設(shè)備都工作在周期中斷模式中。在周期性時(shí)鐘中斷驅(qū)動(dòng)下，高精度定時(shí)器的處理流程如下：1第五章 時(shí)

鐘

管

理(1)更新兩棵紅黑樹中的當(dāng)前時(shí)間softirq_time。在絕對

定時(shí)器樹中，softirq_time被更新為xtime_/view6/M05/3B/04/w1第五章 時(shí)

鐘

管

理由此可見，雖然高精度定時(shí)器可以提供更高精度的定時(shí)服務(wù)，但在真正啟用高精度定時(shí)機(jī)制之前，其優(yōu)勢并未發(fā)揮出來。在處理之時(shí)，有的高精度定時(shí)器可能已經(jīng)過期了較長時(shí)間。此時(shí)的高精度定時(shí)器基本等價(jià)于核心定時(shí)器，有著較大的定時(shí)誤差。1第五章 時(shí)

鐘

管

理3.時(shí)間間隔定時(shí)器管理1用戶進(jìn)程的運(yùn)行也需要定時(shí)器，內(nèi)核應(yīng)該為用戶進(jìn)程提供這類定時(shí)服務(wù)。與核心定時(shí)器和高精度定時(shí)器不同，時(shí)間間隔定時(shí)器是由用戶進(jìn)程在用戶空間啟動(dòng)的(當(dāng)然需要通過系統(tǒng)調(diào)用)，它們運(yùn)行在內(nèi)核空間，但需要將到期信息及時(shí)地通知用戶進(jìn)程。通知的手段是信號(Signal)。傳統(tǒng)的Linux提供三類時(shí)間間隔定時(shí)器，分別是實(shí)時(shí)(Real)、虛擬(Virtual)和概略(Profile)定時(shí)器。三類定時(shí)器所定的都是相對時(shí)間。第五章 時(shí)

鐘

管

理實(shí)時(shí)定時(shí)器根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際時(shí)間定時(shí)，定的是流逝的時(shí)間量，定時(shí)到期時(shí)進(jìn)程會收到SIGALRM信號。虛擬定時(shí)器根據(jù)進(jìn)程消耗的用戶態(tài)時(shí)間定時(shí)，定的是進(jìn)程在用戶態(tài)消耗的時(shí)間量，定時(shí)到期時(shí)進(jìn)程會收到SIGVTALRM信號。概略定時(shí)器根據(jù)進(jìn)程消耗的時(shí)間(不管是用戶態(tài)時(shí)間還是核心態(tài)時(shí)間)定時(shí)，定的是進(jìn)程消耗的時(shí)間量，定時(shí)到期時(shí)進(jìn)程會收到SIGPROF信號。虛擬與概略定時(shí)器的定時(shí)單位是滴答。Linux統(tǒng)一管理三類時(shí)間間隔定時(shí)器。1第五章 時(shí)

鐘

管

理用戶進(jìn)程不會啟動(dòng)太多的時(shí)間間隔定時(shí)器。事實(shí)上，一個(gè)用戶進(jìn)程最多能夠啟動(dòng)三個(gè)時(shí)間間隔定時(shí)器，每類定時(shí)器一個(gè)。由于這一限制，時(shí)間間隔定時(shí)器的管理結(jié)構(gòu)就不需要特別復(fù)雜，僅需要在進(jìn)程管理結(jié)構(gòu)中為時(shí)間間隔定時(shí)器增加幾個(gè)域變量即可。時(shí)間間隔定時(shí)器可以工作在單發(fā)模式，也可以工作在周期模式。既然間隔定時(shí)器可工作在周期模式，就需要為它們分別準(zhǔn)備一個(gè)變量來記錄周期長度或時(shí)間間隔；既然實(shí)時(shí)定時(shí)器按系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)，就需要為它準(zhǔn)備一個(gè)高精度定時(shí)器或核心定時(shí)器；1第五章 時(shí)

鐘

管

理既然虛擬和概略定時(shí)器按進(jìn)程消耗的時(shí)間定時(shí)，就需要為它們分別準(zhǔn)備變量來記錄進(jìn)程消耗的時(shí)間量和到期的時(shí)間量。早期的Linux將上述信息直接記錄在task_struct結(jié)構(gòu)中，新版本的Linux將這些信息記錄在信號管理結(jié)構(gòu)signal_struct中。結(jié)構(gòu)signal_struct中包含很多內(nèi)容，與時(shí)間間隔定時(shí)器相關(guān)的有如下幾個(gè)：real_timer是為實(shí)時(shí)定時(shí)器準(zhǔn)備的高精度定時(shí)器。it_real_incr、it_virt_incr、it_prof_incr是實(shí)時(shí)、擬、概略定時(shí)器的定時(shí)間隔。1第五章 時(shí)

鐘

管

理it_virt_expires和it_prof_expires是虛擬和概略定時(shí)器的當(dāng)前值。utime是進(jìn)程消耗的用戶態(tài)時(shí)間，stime是進(jìn)程消耗的核心態(tài)時(shí)間，utime+stime是進(jìn)程消耗的時(shí)間。定時(shí)器的當(dāng)前值與定時(shí)間隔可以取不同的值，其組合意義如表5.2所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理表5.2時(shí)間間隔定時(shí)器各參數(shù)的組合意義1第五章 時(shí)

鐘

管

理三類時(shí)間間隔定時(shí)器的啟動(dòng)與處理方式如下：(1)實(shí)時(shí)定時(shí)器。在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，已設(shè)置了它的高精度

定時(shí)器real_timer，該定時(shí)器將采用相對時(shí)間定時(shí)，其到期

處理函數(shù)是it_real_fn。在用戶進(jìn)程請求啟動(dòng)實(shí)時(shí)定時(shí)器時(shí)，請求的時(shí)間間隔被記錄在進(jìn)程的it_real_incr中，定時(shí)器

real_timer被同時(shí)設(shè)置并啟動(dòng)。當(dāng)定時(shí)器到期時(shí)，向進(jìn)程發(fā)

送信號SIGALRM。如果it_real_incr非0，則real_timer的到

期時(shí)間會被加上it_real_incr，該定時(shí)器也會被重新啟動(dòng)。1第五章 時(shí)

鐘

管

理(2)虛擬定時(shí)器。在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，虛擬定時(shí)器的當(dāng)前值與定時(shí)間隔都是0。在用戶進(jìn)程請求啟動(dòng)虛擬定時(shí)器時(shí)，

it_virt_expires被設(shè)為初始定時(shí)間隔與進(jìn)程已消耗的用戶態(tài)時(shí)間之和，it_virt_incr被設(shè)為定時(shí)間隔。在時(shí)鐘中斷處理中，當(dāng)前進(jìn)程消耗的用戶態(tài)時(shí)間量被累計(jì)在utime中。如果utime大于或等于it_virt_expires，則向進(jìn)程發(fā)送信號SIGVTALRM。如果it_virt_incr為0，則將it_virt_expires清0，停止定時(shí)，否則將it_virt_expires設(shè)為utime+it_virt_incr，重新啟動(dòng)定時(shí)器，如圖5.8所示。1第五章 時(shí)

鐘

管

理圖5.8周期性虛擬定時(shí)器1第五章 時(shí)

鐘

管

理(3)概略定時(shí)器。在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，概略定時(shí)器