Linux时间子系统之一：clock source（时钟源）

clock source用于为linux内核提供一个时间基线，如果你用linux的date命令获取当前时间，内核会读取当前的clock source，转换并返回合适的时间单位给用户空间。在硬件层，它通常实现为一个由固定时钟频率驱动的计数器，计数器只能单调地增加，直到溢出为止。时钟源是内核计时的基础，系统启动时，内核通过硬件RTC获得当前时间，在这以后，在大多数情况下，内核通过选定的时钟源更新实时时间信息（墙上时间），而不再读取RTC的时间。本节的内核代码树基于V3.4.10。

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1.  struct clocksource结构

内核用一个clocksource结构对真实的时钟源进行软件抽象，现在我们从clock source的数据结构开始，它的定义如下：

struct clocksource {
    /*
     * Hotpath data, fits in a single cache line when the
     * clocksource itself is cacheline aligned.
     */
    cycle_t (*read)(struct clocksource *cs);
    cycle_t cycle_last;
    cycle_t mask;
    u32 mult;
    u32 shift;
    u64 max_idle_ns;
    u32 maxadj;
#ifdef CONFIG_ARCH_CLOCKSOURCE_DATA
    struct arch_clocksource_data archdata;
#endif

    const char *name;
    struct list_head list;
    int rating;
    int (*enable)(struct clocksource *cs);
    void (*disable)(struct clocksource *cs);
    unsigned long flags;
    void (*suspend)(struct clocksource *cs);
    void (*resume)(struct clocksource *cs);

    /* private: */
#ifdef CONFIG_CLOCKSOURCE_WATCHDOG
    /* Watchdog related data, used by the framework */
    struct list_head wd_list;
    cycle_t cs_last;
    cycle_t wd_last;
#endif
} ____cacheline_aligned;

我们只关注clocksource中的几个重要的字段。

1.1  rating：时钟源的精度

同一个设备下，可以有多个时钟源，每个时钟源的精度由驱动它的时钟频率决定，比如一个由10MHz时钟驱动的时钟源，他的精度就是100nS。clocksource结构中有一个rating字段，代表着该时钟源的精度范围，它的取值范围如下：

• 1--99： 不适合于用作实际的时钟源，只用于启动过程或用于测试；
• 100--199：基本可用，可用作真实的时钟源，但不推荐；
• 200--299：精度较好，可用作真实的时钟源；
• 300--399：很好，精确的时钟源；
• 400--499：理想的时钟源，如有可能就必须选择它作为时钟源；

1.2  read回调函数

时钟源本身不会产生中断，要获得时钟源的当前计数，只能通过主动调用它的read回调函数来获得当前的计数值，注意这里只能获得计数值，也就是所谓的cycle，要获得相应的时间，必须要借助clocksource的mult和shift字段进行转换计算。

1.3  mult和shift字段

因为从clocksource中读到的值是一个cycle计数值，要转换为时间，我们必须要知道驱动clocksource的时钟频率F，一个简单的计算就可以完成：

t = cycle/F;

可是clocksource并没有保存时钟的频率F，因为使用上面的公式进行计算，需要使用浮点运算，这在内核中是不允许的，因此，内核使用了另外一个变通的办法，根据时钟的频率和期望的精度，事先计算出两个辅助常数mult和shift，然后使用以下公式进行cycle和t的转换：

t = (cycle * mult) >> shift;

只要我们保证：

F = (1 << shift) / mult;

内核内部使用64位进行该转换计算：

static inline s64 clocksource_cyc2ns(cycle_t cycles, u32 mult, u32 shift)
{
        return ((u64) cycles * mult) >> shift;
}

从转换精度考虑，mult的值是越大越好，但是为了计算过程不发生溢出，mult的值又不能取得过大。为此内核假设cycle计数值被转换后的最大时间值：10分钟（600秒），主要的考虑是CPU进入IDLE状态后，时间信息不会被更新，只要在10分钟内退出IDLE，clocksource的cycle计数值就可以被正确地转换为相应的时间，然后系统的时间信息可以被正确地更新。当然最后的结果不一定是10分钟，它由clocksource_max_deferment进行计算，并保存max_idle_ns字段中，tickless的代码要考虑这个值，以防止在NO_HZ配置环境下，系统保持IDLE状态的时间过长。在这样，由10分钟这个假设的时间值，我们可以推算出合适的mult和shift值。

2.  clocksource的注册和初始化

通常，clocksource要在初始化阶段通过clocksource_register_hz函数通知内核它的工作时钟的频率，调用的过程如下：


由上图可见，最终大部分工作会转由__clocksource_register_scale完成，该函数首先完成对mult和shift值的计算，然后根据mult和shift值，最终通过clocksource_max_deferment获得该clocksource可接受的最大IDLE时间，并记录在clocksource的max_idle_ns字段中。clocksource_enqueue函数负责按clocksource的rating的大小，把该clocksource按顺序挂在全局链表clocksource_list上，rating值越大，在链表上的位置越靠前。

每次新的clocksource注册进来，都会触发clocksource_select函数被调用，它按照rating值选择最好的clocksource，并记录在全局变量curr_clocksource中，然后通过timekeeping_notify函数通知timekeeping，当前clocksource已经变更，关于timekeeping，我将会在后续的博文中阐述。

3.  clocksource watchdog

系统中可能同时会注册对个clocksource，各个clocksource的精度和稳定性各不相同，为了筛选这些注册的clocksource，内核启用了一个定时器用于监控这些clocksource的性能，定时器的周期设为0.5秒：

#define WATCHDOG_INTERVAL (HZ >> 1)
#define WATCHDOG_THRESHOLD (NSEC_PER_SEC >> 4)

当有新的clocksource被注册时，除了会挂在全局链表clocksource_list外，还会同时挂在一个watchdog链表上：watchdog_list。定时器周期性地（0.5秒）检查watchdog_list上的clocksource，WATCHDOG_THRESHOLD的值定义为0.0625秒，如果在0.5秒内，clocksource的偏差大于这个值就表示这个clocksource是不稳定的，定时器的回调函数通过clocksource_watchdog_kthread线程标记该clocksource，并把它的rate修改为0，表示精度极差。

4.  建立clocksource的简要过程

在系统的启动阶段，内核注册了一个基于jiffies的clocksource，代码位于kernel/time/jiffies.c：

struct clocksource clocksource_jiffies = {
    .name       = "jiffies",
    .rating     = 1, /* lowest valid rating*/
    .read       = jiffies_read,
    .mask       = 0xffffffff, /*32bits*/
    .mult       = NSEC_PER_JIFFY << JIFFIES_SHIFT, /* details above */
    .shift      = JIFFIES_SHIFT,
};
......

static int __init init_jiffies_clocksource(void)
{
    return clocksource_register(&clocksource_jiffies);
}

core_initcall(init_jiffies_clocksource);

它的精度只有1/HZ秒，rating值为1，如果平台的代码没有提供定制的clocksource_default_clock函数，它将返回该clocksource：

struct clocksource * __init __weak clocksource_default_clock(void)
{
    return &clocksource_jiffies;
}

然后，在初始化的后段，clocksource的代码会把全局变量curr_clocksource设置为上述的clocksource：

static int __init clocksource_done_booting(void)
{
        ......
    curr_clocksource = clocksource_default_clock();
        ......
    finished_booting = 1;
        ......
    clocksource_select();
        ......
    return 0;
}
fs_initcall(clocksource_done_booting);

当然，如果平台级的代码在初始化时也会注册真正的硬件clocksource，所以经过clocksource_select()函数后，curr_clocksource将会被设为最合适的clocksource。如果clocksource_select函数认为需要切换更好的时钟源，它会通过timekeeping_notify通知timekeeping系统，使用新的clocksource进行时间计数和更新操作。