Linux内部时钟处理机制

2.3 时钟初始化

内核初始化部分（ start_kernel 函数）和时钟相关的过程主要有以下几个：

1. tick_init()
2. init_timers()
3. hrtimers_init()
4. time_init()

其中函数 hrtimers_init() 和高精度时钟相关（本文暂不介绍这部分内容）。下面将详细介绍剩下三个函数。

2.3.1 tick_init 函数

函数 tick_init() 很简单，调用 clockevents_register_notifier 函数向 clockevents_chain 通知链注册元素： tick_notifier。这个元素的回调函数指明了当时钟事件设备信息发生变化（例如新加入一个时钟事件设备等等）时，应该执行的操作，该回调函数为 tick_notify （参见2.4节）。

2.3.2 init_timers 函数

函数 init_timers() 的实现如清单2-1（省略了部分和主要功能无关的内容，以后代码同样方式处理）

注：本文中所有代码均来自于Linux3.0 源代码

单2-1 init_timers 函数
void __init init_timers(void)
{
 int err = timer_cpu_notify(&timers_nb, (unsigned long)CPU_UP_PREPARE,
    (void *)(long)smp_processor_id());

 init_timer_stats();

 BUG_ON(err != NOTIFY_OK);
 register_cpu_notifier(&timers_nb);
 open_softirq(TIMER_SOFTIRQ, run_timer_softirq);

}

代码解释：

• 初始化本 CPU 上的软件时钟相关的数据结构，参见3.2节
• 向 cpu_chain 通知链注册元素 timers_nb ，该元素的回调函数用于初始化指定 CPU 上的软件时钟相关的数据结构
• 初始化时钟的软中断处理函数

2.3.3 time_init 函数

函数 time_init 的实现如清单2-2

清单2-2 time_init 函数
void __init time_init(void)
{
late_time_init = x86_late_time_init;

}

static __init void x86_late_time_init(void)
{
 x86_init.timers.timer_init();
 tsc_init();
}

函数 tsc_init()初始化 tsc 时钟源。x86_init.timers.timer_init()
实际是函数 hpet_time_init，其代码清单2-3

清单2-3 hpet_time_init 函数

清单2-3 hpet_time_init 函数
void __init hpet_time_init(void)
{
 if (!hpet_enable())
  setup_pit_timer();
 setup_default_timer_irq();
}

函数 hpet_enable 检测系统是否可以使用 hpet 时钟，如果可以则初始化 hpet 时钟。否则初始化 pit 时钟。最后设置硬件时钟发生时的处理函数（参见2.4节）。

初始化硬件时钟这个过程主要包括以下两个过程（参见 hpet_enable 的实现）：

1. 初始化时钟源信息（ struct clocksource 类型的变量），并将其添加到时钟源链表中，即 clocksource_list 链表（参见图2-1）。
2. 初始化时钟事件设备信息（ struct clock_event_device 类型的变量），并向通知链 clockevents_chain 发布通知：一个时钟事件设备要被添加到系统中。在通知（执行回调函数）结束后，该时钟事件设备被添加到时钟事件设备链表中，即 clockevent_devices 链表（参见图2-1）。有关通知链的内容参见2.2节。

需要注意的是在初始化时钟事件设备时，全局变量 global_clock_event 被赋予了相应的值。该变量保存着系统中当前正在使用的时钟事件设备（保存了系统当前使用的硬件时钟中断发生时，要执行的中断处理函数的指针）。

2.4 硬件时钟处理过程

由2.3.3可知硬件时钟中断的处理函数保存在静态变量 irq0 中，其定义如清单2-4

单2-4 变量irq0定义

static struct irqaction irq0  = {
 .handler = timer_interrupt,
 .flags = IRQF_DISABLED | IRQF_NOBALANCING | IRQF_IRQPOLL | IRQF_TIMER,
 .name = "timer"
};

由定义可知：函数 timer_interrupt 为时钟中断处理函数，其定义如清单2-5

清单2-5 timer_interrupt 函数
static irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
 /* Keep nmi watchdog up to date */
 inc_irq_stat(irq0_irqs);

 global_clock_event->event_handler(global_clock_event);

 /* MCA bus quirk: Acknowledge irq0 by setting bit 7 in port 0x61 */
 if (MCA_bus)
  outb_p(inb_p(0x61)| 0x80, 0x61);

 return IRQ_HANDLED;
}

为了说明这个问题，不妨假设系统中使用的是 hpet 时钟。由2.3.3节可知 global_clock_event 指向 hpet 时钟事件设备（ hpet_clockevent ）。查看 hpet_enable 函数的代码并没有发现有对 event_handler 成员的赋值。所以继续查看时钟事件设备加入事件的处理函数 tick_notify ，该函数记录了当时钟事件设备发生变化（例如，新时钟事件设备的加入）时，执行那些操作（参见2.3.1节），代码如清单2-6

清单2-6 tick_notify 函数

static int tick_notify(struct notifier_block *nb, unsigned long reason, void *dev)
{
switch (reason) {
case CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD:
return tick_check_new_device(dev);
……
return NOTIFY_OK;
}

由代码可知：对于新加入时钟事件设备这个事件，将会调用函数 tick_check_new_device 。顺着该函数的调用序列向下查找。tick_set_periodic_handler 函数将时钟事件设备的 event_handler 成员赋值为 tick_handle_periodic 函数的地址。由此可知，函数 tick_handle_periodic 为硬件时钟中断发生时，真正的运行函数。

函数 tick_handle_periodic 的处理过程分成了以下两个部分：

1. 全局处理：整个系统中的信息处理
2. 局部处理：局部于本地 CPU 的处理

总结一下，一次时钟中断发生后， OS 主要执行的操作（ tick_handle_periodic ）：

• 全局处理（仅在一个 CPU 上运行）：

1. 更新 jiffies_64
2. 更新 xtimer 和当前时钟源信息等
3. 根据 tick 计算 avenrun 负载

• 局部处理（每个 CPU 都要运行）：
  1. 根据当前在用户态还是核心态，统计当前进程的时间：用户态时间还是核心态时间
  2. 唤醒 TIMER_SOFTIRQ 软中断
  3. 唤醒 RCU 软中断
  4. 调用 scheduler_tick （更新进程时间片等等操作，更多内容参见参考文献）
  5. profile_tick 函数调用