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2015年(100)

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分类: LINUX

2015-05-17 23:14:56

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。

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声明:本博内容均由http://blog.csdn.net/droidphone原创,转载请注明出处,谢谢!

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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:


                                                                  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:


  1. struct clock_event_device {  
  2.     void            (*event_handler)(struct clock_event_device *);  
  3.     int         (*set_next_event)(unsigned long evt,  
  4.                           struct clock_event_device *);  
  5.     int         (*set_next_ktime)(ktime_t expires,  
  6.                           struct clock_event_device *);  
  7.     ktime_t         next_event;  
  8.     u64         max_delta_ns;  
  9.     u64         min_delta_ns;  
  10.     u32         mult;  
  11.     u32         shift;  
  12.     enum clock_event_mode   mode;  
  13.     unsigned int        features;  
  14.     unsigned long       retries;  
  15.   
  16.     void            (*broadcast)(const struct cpumask *mask);  
  17.     void            (*set_mode)(enum clock_event_mode mode,  
  18.                         struct clock_event_device *);  
  19.     unsigned long       min_delta_ticks;  
  20.     unsigned long       max_delta_ticks;  
  21.   
  22.     const char      *name;  
  23.     int         rating;  
  24.     int         irq;  
  25.     const struct cpumask    *cpumask;  
  26.     struct list_head    list;  
  27. } ____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:
  1. 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。
  1. /* Notification for clock events */  
  2. static RAW_NOTIFIER_HEAD(clockevents_chain);  

3.  clock_event_device的初始化和注册

每一个machine,都要定义一个自己的machine_desc结构,该结构定义了该machine的一些最基本的特性,其中需要设定一个sys_timer结构指针,machine级的代码负责定义sys_timer结构,sys_timer的声明很简单:
  1. struct sys_timer {  
  2.     void            (*init)(void);  
  3.     void            (*suspend)(void);  
  4.     void            (*resume)(void);  
  5. #ifdef CONFIG_ARCH_USES_GETTIMEOFFSET  
  6.     unsigned long       (*offset)(void);  
  7. #endif  
  8. };  
通常,我们至少要定义它的init字段,系统初始化阶段,该init回调会被调用,该init回调函数的主要作用就是完成系统中的clocksource和clock_event_device的硬件初始化工作,以samsung的exynos4为例,在V3.4内核的代码树中,machine_desc的定义如下:
  1. MACHINE_START(SMDK4412, "SMDK4412")  
  2.     /* Maintainer: Kukjin Kim  */  
  3.     /* Maintainer: Changhwan Youn  */  
  4.     .atag_offset    = 0x100,  
  5.     .init_irq   = exynos4_init_irq,  
  6.     .map_io     = smdk4x12_map_io,  
  7.     .handle_irq = gic_handle_irq,  
  8.     .init_machine   = smdk4x12_machine_init,  
  9.     .timer      = &exynos4_timer,  
  10.     .restart    = exynos4_restart,  
  11. MACHINE_END  
定义的sys_timer是exynos4_timer,它的定义和init回调定义如下:
  1. static void __init exynos4_timer_init(void)  
  2. {  
  3.     if (soc_is_exynos4210())  
  4.         mct_int_type = MCT_INT_SPI;  
  5.     else  
  6.         mct_int_type = MCT_INT_PPI;  
  7.   
  8.     exynos4_timer_resources();  
  9.     exynos4_clocksource_init();  
  10.     exynos4_clockevent_init();  
  11. }  
  12.   
  13. struct sys_timer exynos4_timer = {  
  14.     .init       = exynos4_timer_init,  
  15. };  
exynos4_clockevent_init函数显然是初始化和注册clock_event_device的合适时机,在这里,它注册了一个rating为250的clock_event_device,并把它指定给cpu0:
  1. static struct clock_event_device mct_comp_device = {  
  2.     .name       = "mct-comp",  
  3.     .features       = CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC | CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,  
  4.     .rating     = 250,  
  5.     .set_next_event = exynos4_comp_set_next_event,  
  6.     .set_mode   = exynos4_comp_set_mode,  
  7. };  
  8. ......  
  9. static void exynos4_clockevent_init(void)  
  10. {  
  11.     clockevents_calc_mult_shift(&mct_comp_device, clk_rate, 5);  
  12.         ......  
  13.     mct_comp_device.cpumask = cpumask_of(0);  
  14.     clockevents_register_device(&mct_comp_device);  
  15.   
  16.     setup_irq(EXYNOS4_IRQ_MCT_G0, &mct_comp_event_irq);  
  17. }  
因为这个阶段其它cpu核尚未开始工作,所以该clock_event_device也只是在启动阶段给系统提供服务,实际上,因为exynos4是一个smp系统,具备2-4个cpu核心,前面说过,smp系统中,通常会使用各个cpu的本地定时器来为每个cpu单独提供时钟事件服务,继续翻阅代码,在系统初始化的后段,kernel_init会被调用,它会调用smp_prepare_cpus,其中会调用percpu_timer_setup函数,在arch/arm/kernel/smp.c中,为每个cpu定义了一个clock_event_device:
  1. /* 
  2.  * Timer (local or broadcast) support 
  3.  */  
  4. static DEFINE_PER_CPU(struct clock_event_device, percpu_clockevent);  
percpu_timer_setup最终会调用exynos4_local_timer_setup函数完成对本地clock_event_device的初始化工作:
  1. static int __cpuinit exynos4_local_timer_setup(struct clock_event_device *evt)  
  2. {  
  3.     ......  
  4.     evt->name = mevt->name;  
  5.     evt->cpumask = cpumask_of(cpu);  
  6.     evt->set_next_event = exynos4_tick_set_next_event;  
  7.     evt->set_mode = exynos4_tick_set_mode;  
  8.     evt->features = CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC | CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT;  
  9.     evt->rating = 450;  
  10.   
  11.     clockevents_calc_mult_shift(evt, clk_rate / (TICK_BASE_CNT + 1), 5);  
  12.     ......  
  13.     clockevents_register_device(evt);  
  14.     ......  
  15.     enable_percpu_irq(EXYNOS_IRQ_MCT_LOCALTIMER, 0);  
  16.     ......  
  17.     return 0;  
  18. }  
由此可见,每个cpu的本地clock_event_device的rating是450,比启动阶段的250要高,显然,之前注册给cpu0的精度要高,系统会用本地clock_event_device替换掉原来分配给cpu0的clock_event_device,至于怎么替换?我们先停一停,到这里我们一直在讨论machine级别的初始化和注册,让我们回过头来,看看框架层的初始化。在继续之前,让我们看看整个clock_event_device的初始化的调用序列图:


                                                                                           图3.1  clock_event_device的系统初始化

由上面的图示可以看出,框架层的初始化步骤很简单,又start_kernel开始,调用tick_init,它位于kernel/time/tick-common.c中,也只是简单地调用clockevents_register_notifier,同时把类型为notifier_block的tick_notifier作为参数传入,回看2.3节,clockevents_register_notifier注册了一个通知链,这样,当系统中的clock_event_device状态发生变化时(新增,删除,挂起,唤醒等等),tick_notifier中的notifier_call字段中设定的回调函数tick_notify就会被调用。接下来start_kernel调用了time_init函数,该函数通常定义在体系相关的代码中,正如前面所讨论的一样,它主要完成machine级别对时钟系统的初始化工作,最终通过clockevents_register_device注册系统中的时钟事件设备,把每个时钟时间设备挂在clockevent_device全局链表上,最后通过clockevent_do_notify触发框架层事先注册好的通知链,其实就是调用了tick_notify函数,我们主要关注CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD通知,其它通知请自行参考代码,下面是tick_notify的简化版本:


  1. static int tick_notify(struct notifier_block *nb, unsigned long reason,  
  2.                    void *dev)  
  3. {  
  4.     switch (reason) {  
  5.   
  6.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD:  
  7.         return tick_check_new_device(dev);  
  8.   
  9.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_ON:  
  10.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_OFF:  
  11.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_FORCE:  
  12.             ......  
  13.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_ENTER:  
  14.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_EXIT:  
  15.             ......  
  16.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_CPU_DYING:  
  17.             ......  
  18.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_CPU_DEAD:  
  19.             ......  
  20.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_SUSPEND:  
  21.             ......  
  22.     case CLOCK_EVT_NOTIFY_RESUME:  
  23.             ......  
  24.     }  
  25.   
  26.     return NOTIFY_OK;  
  27. }  
可见,对于新注册的clock_event_device,会发出CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD通知,最终会进入函数:tick_check_new_device,这个函数比对当前cpu所使用的与新注册的clock_event_device之间的特性,如果认为新的clock_event_device更好,则会进行切换工作。下一节将会详细的讨论该函数。到这里,每个cpu已经有了自己的clock_event_device,在这以后,框架层的代码会根据内核的配置项(CONFIG_NO_HZ、CONFIG_HIGH_RES_TIMERS),对注册的clock_event_device进行不同的设置,从而为系统的tick和高精度定时器提供服务,这些内容我们留在本系列的后续文章进行讨论。


4.  tick_device

当内核没有配置成支持高精度定时器时,系统的tick由tick_device产生,tick_device其实是clock_event_device的简单封装,它内嵌了一个clock_event_device指针和它的工作模式:
  1. struct tick_device {  
  2.     struct clock_event_device *evtdev;  
  3.     enum tick_device_mode mode;  
  4. };  
在kernel/time/tick-common.c中,定义了一个per-cpu的tick_device全局变量,tick_cpu_device:
  1. /* 
  2.  * Tick devices 
  3.  */  
  4. DEFINE_PER_CPU(struct tick_device, tick_cpu_device);  
前面曾经说过,当machine的代码为每个cpu注册clock_event_device时,通知回调函数tick_notify会被调用,进而进入tick_check_new_device函数,下面让我们看看该函数如何工作,首先,该函数先判断注册的clock_event_device是否可用于本cpu,然后从per-cpu变量中取出本cpu的tick_device:
  1. static int tick_check_new_device(struct clock_event_device *newdev)  
  2. {  
  3.         ......  
  4.     cpu = smp_processor_id();  
  5.     if (!cpumask_test_cpu(cpu, newdev->cpumask))  
  6.         goto out_bc;  
  7.   
  8.     td = &per_cpu(tick_cpu_device, cpu);  
  9.     curdev = td->evtdev;  
如果不是本地clock_event_device,会做进一步的判断:如果不能把irq绑定到本cpu,则放弃处理,如果本cpu已经有了一个本地clock_event_device,也放弃处理:
  1. if (!cpumask_equal(newdev->cpumask, cpumask_of(cpu))) {  
  2.                ......  
  3.     if (!irq_can_set_affinity(newdev->irq))  
  4.         goto out_bc;  
  5.                ......  
  6.     if (curdev && cpumask_equal(curdev->cpumask, cpumask_of(cpu)))  
  7.         goto out_bc;  
  8. }  
反之,如果本cpu已经有了一个clock_event_device,则根据是否支持单触发模式和它的rating值,决定是否替换原来旧的clock_event_device:
  1. if (curdev) {  
  2.     if ((curdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT) &&  
  3.         !(newdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT))  
  4.         goto out_bc;  // 新的不支持单触发,但旧的支持,所以不能替换  
  5.     if (curdev->rating >= newdev->rating)  
  6.         goto out_bc;  // 旧的比新的精度高,不能替换  
  7. }  
在这些判断都通过之后,说明或者来cpu还没有绑定tick_device,或者是新的更好,需要替换:
  1. if (tick_is_broadcast_device(curdev)) {  
  2.     clockevents_shutdown(curdev);  
  3.     curdev = NULL;  
  4. }  
  5. clockevents_exchange_device(curdev, newdev);  
  6. tick_setup_device(td, newdev, cpu, cpumask_of(cpu));  
上面的tick_setup_device函数负责重新绑定当前cpu的tick_device和新注册的clock_event_device,如果发现是当前cpu第一次注册tick_device,就把它设置为TICKDEV_MODE_PERIODIC模式,如果是替换旧的tick_device,则根据新的tick_device的特性,设置为TICKDEV_MODE_PERIODIC或TICKDEV_MODE_ONESHOT模式。可见,在系统的启动阶段,tick_device是工作在周期触发模式的,直到框架层在合适的时机,才会开启单触发模式,以便支持NO_HZ和HRTIMER。

5.  tick事件的处理--最简单的情况

clock_event_device最基本的应用就是实现tick_device,然后给系统定期地产生tick事件,通用时间框架对clock_event_device和tick_device的处理相当复杂,因为涉及配置项:CONFIG_NO_HZ和CONFIG_HIGH_RES_TIMERS的组合,两个配置项就有4种组合,这四种组合的处理都有所不同,所以这里我先只讨论最简单的情况:
  • CONFIG_NO_HZ == 0;
  • CONFIG_HIGH_RES_TIMERS == 0;
在这种配置模式下,我们回到上一节的tick_setup_device函数的最后:
  1. if (td->mode == TICKDEV_MODE_PERIODIC)  
  2.     tick_setup_periodic(newdev, 0);  
  3. else  
  4.     tick_setup_oneshot(newdev, handler, next_event);  
因为启动期间,第一个注册的tick_device必然工作在TICKDEV_MODE_PERIODIC模式,所以tick_setup_periodic会设置clock_event_device的事件回调字段event_handler为tick_handle_periodic,工作一段时间后,就算有新的支持TICKDEV_MODE_ONESHOT模式的clock_event_device需要替换,再次进入tick_setup_device函数,tick_setup_oneshot的handler参数也是之前设置的tick_handle_periodic函数,所以我们考察tick_handle_periodic即可:
  1. void tick_handle_periodic(struct clock_event_device *dev)  
  2. {  
  3.     int cpu = smp_processor_id();  
  4.     ktime_t next;  
  5.   
  6.     tick_periodic(cpu);  
  7.   
  8.     if (dev->mode != CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT)  
  9.         return;  
  10.   
  11.     next = ktime_add(dev->next_event, tick_period);  
  12.     for (;;) {  
  13.         if (!clockevents_program_event(dev, next, false))  
  14.             return;  
  15.         if (timekeeping_valid_for_hres())  
  16.             tick_periodic(cpu);  
  17.         next = ktime_add(next, tick_period);  
  18.     }  
  19. }  
该函数首先调用tick_periodic函数,完成tick事件的所有处理,如果是周期触发模式,处理结束,如果工作在单触发模式,则计算并设置下一次的触发时刻,这里用了一个循环,是为了防止当该函数被调用时,clock_event_device中的计时实际上已经经过了不止一个tick周期,这时候,tick_periodic可能被多次调用,使得jiffies和时间可以被正确地更新。tick_periodic的代码如下:
  1. static void tick_periodic(int cpu)  
  2. {  
  3.     if (tick_do_timer_cpu == cpu) {  
  4.         write_seqlock(&xtime_lock);  
  5.   
  6.         /* Keep track of the next tick event */  
  7.         tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period);  
  8.   
  9.         do_timer(1);  
  10.         write_sequnlock(&xtime_lock);  
  11.     }  
  12.   
  13.     update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));  
  14.     profile_tick(CPU_PROFILING);  
  15. }  
如果当前cpu负责更新时间,则通过do_timer进行以下操作:
  • 更新jiffies_64变量;
  • 更新墙上时钟;
  • 每10个tick,更新一次cpu的负载信息;
调用update_peocess_times,完成以下事情:
  • 更新进程的时间统计信息;
  • 触发TIMER_SOFTIRQ软件中断,以便系统处理传统的低分辨率定时器;
  • 检查rcu的callback;
  • 通过scheduler_tick触发调度系统进行进程统计和调度工作;
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