1、Linux操作系統(tǒng)分析,中國科學技術大學計算機系 陳香蘭（051287161312） Autumn 2010,Linux中的時鐘和定時測量,2020/8/14,Linux OS Analysis,3/49,定時測量,Linux內(nèi)核提供兩種主要的定時測量 獲得當前的時間和日期 系統(tǒng)調(diào)用：time(), ftime()以及gettimeofday() 維持定時器 settimer(), alarm() 定時測量是由基于固定頻率振蕩器和計數(shù)器的幾個硬件電路完成的,2020/8/14,Linux OS Analysis,4/49,主要內(nèi)容,定時的硬件設備 Linux內(nèi)核中與時間有關的程序 實現(xiàn)CPU分

2、時、更新系統(tǒng)時間、維護軟定時器 與定時測量相關的系統(tǒng)調(diào)用及相關服務例程,2020/8/14,Linux OS Analysis,5/49,硬時鐘,80 x86體系結(jié)構(gòu)上，內(nèi)核必須顯式的與四種時鐘打交道 實時時鐘Real time clock，RTC 時間戳計數(shù)器Time stamp counter，TSC 可編程間隔定時器Programmable interval timer, PIT CPU本地定時器 高精度事件定時器 ACPI電源管理定時器,用于跟蹤 當前時間,產(chǎn)生周期性的時鐘中斷， 用于計時,2020/8/14,Linux OS Analysis,6/49,實時時鐘RTC,基本上所有的P

3、C都包含實時時鐘 獨立于CPU與所有其他芯片 依靠一個獨立的小電池供電給RTC中的振蕩器 即使關閉PC電源，還會繼續(xù)運轉(zhuǎn) 與CMOS RAM往往集成在一個芯片內(nèi) 例如：Motorala 146818 能在IRQ8上發(fā)出周期性的中斷，頻率在2HZ8192之間 可以對其編程實現(xiàn)一個鬧鐘,2020/8/14,Linux OS Analysis,7/49,Linux本身只使用RTC獲得時間和日期 對應的設備文件為/dev/rtc 可以通過設備文件對其編程 內(nèi)核通過0 x70和0 x71兩個端口訪問RTC 系統(tǒng)管理員可以通過執(zhí)行時鐘程序設置時鐘,2020/8/14,Linux OS Analysis,8

4、/49,時間戳計數(shù)器TSC,在80 x86微處理器中，有一個CLK輸入引線 接收外部振蕩器的時鐘信號 從pentium開始，很多80 x86微處理器都引入了一個TSC 一個64位的、用作時間戳計數(shù)器的寄存器 它在每個時鐘信號（CLK）到來時+1 例如時鐘頻率400MHz的微處理器，TSC每2.5ns就+1 rdtsc指令用于讀該寄存器,2020/8/14,Linux OS Analysis,9/49,與后面介紹的可編程間隔定時器相比，TSC可以獲得更精確的時鐘 為此，Linux在系統(tǒng)初始化的時候必須確定時鐘信號CLK的頻率（即CPU的實際頻率） tsc_calibrate 根據(jù)在一個相對較長的

5、時間間隔內(nèi)（約5ms）所發(fā)生的TSC計數(shù)的個數(shù)進行計算 那個間隔由可編程間隔定時器給出 由于只在系統(tǒng)初始化的時候運行一次，因此本程序可以執(zhí)行較長時間，而不會引起問題,2020/8/14,Linux OS Analysis,10/49,可編程間隔定時器PIT,經(jīng)過適當編程后，可以周期性的給出時鐘中斷 通常是8254 CMOS芯片 使用I/O端口0 x400 x43 Linux將PIT編程為： 100Hz、1000Hz 通過IRQ0發(fā)出時鐘中斷 每若干毫秒（100Hz為10ms）產(chǎn)生一次時鐘中斷，即一個tick,2020/8/14,Linux OS Analysis,11/49,Tick的長短,短

6、 優(yōu)點：分辨率高 缺點：需要較多的CPU時間處理，會導致用戶程序運行變慢 適用于非常強大的機器，這種機器能夠承擔較大的系統(tǒng)開銷 Tick的設置是一個折中，例如 在大多數(shù)惠普的Alpha和Intel的IA-64上約1ms產(chǎn)生一個tick（每秒1024個時鐘中斷） Rawhide Alpha工作站采用更高（1200tick/秒）,2020/8/14,Linux OS Analysis,12/49,在Linux中，下列宏決定時鐘中斷頻率,對8254分頻，獲得HZ所需的時鐘,HZ：每秒鐘時鐘中斷的個數(shù)，即每秒tick的個數(shù),8254芯片的內(nèi)部振蕩器頻率，每秒多少次,2020/8/14,Linux OS

7、 Analysis,13/49,在init_pit_timer ()中初始化時鐘中斷頻率,此后，只要允許處理時鐘中斷，約每10ms就會產(chǎn)生一個時鐘中斷 1tick約為10ms （當HZ=100）,2020/8/14,Linux OS Analysis,14/49,Linux的計時體系結(jié)構(gòu),更新自系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)過的時間 更新時間和日期 確定當前進程的執(zhí)行時間，考慮是否要搶占 更新資源使用統(tǒng)計計數(shù) 檢查到期的軟定時器,2020/8/14,Linux OS Analysis,15/49,在單處理器系統(tǒng)中，所有定時活動都由IRQ0上的時鐘中斷觸發(fā)，包括 在中斷中立即執(zhí)行的部分，和 作為下半部分延遲執(zhí)

8、行的部分,2020/8/14,Linux OS Analysis,16/49,計時體系結(jié)構(gòu)中的關鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量,系統(tǒng)時鐘system timer 時鐘中斷發(fā)生源 Jiffies變量 計時時鐘源 Xtime變量,2020/8/14,嵌入式OS,17/49,Jiffies變量,記錄系統(tǒng)自啟動以來系統(tǒng)產(chǎn)生的tick數(shù) 每次時鐘中斷1 jiffies，32位 關于jiffies_64,約50天就溢出,數(shù)十億年才會溢出,2020/8/14,Linux OS Analysis,18/49,2020/8/14,Linux OS Analysis,19/49,2020/8/14,Linux OS Analy

9、sis,20/49,時鐘源,時鐘源抽象 參見數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)clocksource 是系統(tǒng)時鐘源，定義了系統(tǒng)時鐘源的接口 缺省時鐘源,kernel/time/jiffies.c,include/linux/clocksource.h,2020/8/14,Linux OS Analysis,21/49,注冊時鐘源： clocksource_register clocksource_list 按rating排序,kernel/time/clocksource.c,2020/8/14,Linux OS Analysis,22/49,Jiffies時鐘源（缺省時鐘源）,2020/8/14,Linux OS A

10、nalysis,23/49,PIT時鐘源,2020/8/14,Linux OS Analysis,24/49,2020/8/14,Linux OS Analysis,25/49,2020/8/14,嵌入式OS,26/49,Xtime變量,存放當前時間和日期,kernel/time/timekeeping.c,2020/8/14,嵌入式OS,27/49,時間紀元 1970年1月1日（UTC）午夜,include/linux/time.h,2020/8/14,嵌入式OS,28/49,Xtime的更新,基本上每個tick更新一次 參見：update_wall_time 根據(jù)時鐘源來更新xtime的秒

11、數(shù)和納秒數(shù) 時鐘源,kernel/time/timekeeping.c,kernel/time/timekeeping.c,2020/8/14,Linux OS Analysis,29/49,X86中的時鐘源及其初始化,start_kernel,tick_init 注冊 tick_notifier,time_init,timekeeping_init 初始化xtime,read_persistent_clock,get_wallclock即 native_get_wallclock,mach_get_cmos_time,注冊 clocksource_tsc,tsc_init,choose_ti

12、me_init即 hpet_time_init,setup_pit_timer,注冊pit_clockevent 設置global_clock_event,time_init_hook,設置irq0,2020/8/14,Linux OS Analysis,30/49,時鐘中斷處理函數(shù),2020/8/14,Linux OS Analysis,31/49,global_clock_event 在setup_pit_timer中被初始化為pit_clockevent 其event_handler在注冊過程中，被初始化為tick_handle_periodic tick_handle_periodic

13、的關鍵是tick_periodic，該函數(shù) 調(diào)用do_timer和update_process_times,2020/8/14,Linux OS Analysis,32/49,do_timer,全局變量，存放自系統(tǒng)啟動 以來的時鐘節(jié)拍數(shù),2020/8/14,Linux OS Analysis,33/49,update_process_times,2020/8/14,Linux OS Analysis,34/49,軟定時器,定時器是一種軟件功能，它允許在將來的某個時刻調(diào)用某個函數(shù) 大多數(shù)設備驅(qū)動程序利用定時器完成一些特殊工作 軟盤驅(qū)動程序在軟盤暫時不被訪問時就關閉設備的發(fā)動機 并行打印機利用定時

14、器檢測錯誤的打印機情況,2020/8/14,Linux OS Analysis,35/49,Linux中存在兩類定時器： 動態(tài)定時器 內(nèi)核使用 間隔定時器 由進程在用戶態(tài)創(chuàng)建 注意：由于軟定時器在下半部分處理，內(nèi)核不能保證定時器正好在時鐘到期的時候被執(zhí)行，會存在延遲，不適用于實時應用 延遲函數(shù),2020/8/14,Linux OS Analysis,36/49,動態(tài)定時器,動態(tài)定時器被動態(tài)的創(chuàng)建和撤銷，當前活動的動態(tài)定時器個數(shù)沒有限制,include/linux/timer.h,2020/8/14,Linux OS Analysis,37/49,創(chuàng)建并激活一個動態(tài)定時器,創(chuàng)建一個新的timer

15、_list對象 調(diào)用init_timer初始化，并設置定時器要處理的函數(shù)和參數(shù) 設置定時時間 使用add_timer加入到合適的鏈表中 通常定時器只能執(zhí)行一次，如果要周期性的執(zhí)行，必須再次將其加入鏈表,2020/8/14,Linux OS Analysis,38/49,動態(tài)定時器的維護,2020/8/14,Linux OS Analysis,39/49,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),kernel/timer.c,2020/8/14,Linux OS Analysis,40/49,處理,kernel/timer.c,kernel/timer.c，函數(shù)init_timers中,2020/8/14,Linux OS A

16、nalysis,41/49,kernel/timer.c,閱讀kernel/timer.c,2020/8/14,Linux OS Analysis,42/49,動態(tài)定時器應用之delayed work,kernel/workqueue.c,include/linux/workqueue.h,2020/8/14,Linux OS Analysis,43/49,動態(tài)定時器應用之schedule_timeout,kernel/timer.c,2020/8/14,Linux OS Analysis,44/49,延遲函數(shù),2020/8/14,Linux OS Analysis,45/49,2020/8/14,Linux OS Analysis,46/49,與定時測量相關的系統(tǒng)調(diào)用,time() 返回從1970年1月1日凌晨0點開始的秒數(shù) ftime() 返回從1970年1月1日凌晨0點開始的秒數(shù)以及最后一秒的毫秒數(shù) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為timeb gettimeofday() 返回從1970年1月1日凌晨0點開始的秒數(shù) 對應于sys_gettimeofday(),2020/8/14,Linux OS Analysis,47/49,settimer() 間隔定時器 頻率：周期性的觸發(fā)