这篇文章 Timers and time management in the Linux kernel. Part 1. 是出自 linux-insides一书中 Timers and time management 章节 Introduction
内核版本比对5.3-rc 进行了相关调整, 增加相关备注
Linux内核中的定时器和时间管理. Part 1.
介绍
这是另一篇文章，它在linux-insides一书中开启了新的篇章。前面的部分描述了系统调用概念，现在是时候开始新篇章了。正如人们可能从标题中理解的那样，本章将专门讨论Linux内核中的“定时器”和“时间管理”。当前章节的主题选择并非偶然。定时器（通常是时间管理）非常重要，并且在Linux内核中广泛使用。 Linux内核使用计时器执行各种任务，例如TCP实现中的不同超时，内核知道当前时间，调度异步函数，下一个事件中断调度和还有更多。 因此，我们将开始学习本部分中不同时间管理相关内容的实现。我们将看到不同类型的计时器以及不同的Linux内核子系统如何使用它们。与往常一样，我们将从Linux内核的最早部分开始，并完成Linux内核的初始化过程。我们已经在特殊的章节-Kernel initialization process中完成了它，它描述了Linux内核的初始化过程，但是你可能还记得我们错过了那里有些东西。其中一个是定时器的初始化。 我们开始吧。
初始化非标准PC硬件时钟
Linux内核解压缩后（更多关于此内容，您可以在内核解压缩部分中阅读）非特定代码开始在init/main.c源代码文件中工作。初始化lock validator后，初始化cgroups并设置canary值，我们可以看到setup_arch函数的调用。 你可能还记得，这个函数（定义在arch/x86/kernel/setup.c)准备/初始化特定于体系结构的东西（例如它为bss部分保留一个位置，为initrd保留一个位置，解析内核命令行以及许多其他事情）。除此之外，我们还可以找到一些时间管理相关的功能。 首先是：
x86_init.timers.wallclock_init();
我们在描述Linux内核初始化的章节中已经看到了x86_init结构。此结构包含指向不同平台的默认设置功能的指针，如 Intel MID，Intel CE4100
等x86_init结构定义在arch/x86/kernel/x86_init.c，正如您所看到的，它默认确定标准PC硬件。 我们可以看到，x86_init结构具有x86_init_ops类型，它为平台特定的设置提供了一组函数，如保留标准资源，平台特定的内存设置，中断处理程序的初始化等。这种结构如下所示：
struct x86_init_ops {
struct x86_init_resources resources;
struct x86_init_mpparse mpparse;
struct x86_init_irqs irqs;
struct x86_init_oem oem;
struct x86_init_paging paging;
struct x86_init_timers timers;
struct x86_init_iommu iommu;
struct x86_init_pci pci;
struct x86_hyper_init hyper;
struct x86_init_acpi acpi;
};
备注：
新增以下两个成员struct x86_hyper_init hyper; /*x86 hypervisor init functions*/ struct x86_init_acpi acpi; /*x86 ACPI init functions*/
注意具有x86_init_timers类型的timers字段。我们可以通过其名称理解该字段与时间管理和计时器有关。 x86_init_timers包含四个字段，这些字段都是在void上返回指针的函数：
setup_percpu_clockev– 为boot cpu设置每个cpu时钟事件设备;timer_init– 初始化平台计时器;wallclock_init– 初始化wallclock设备。
void (*tsc_pre_init)(void);
因此，正如我们已经知道的那样，在我们的例子中，wallclock_init执行wallclock设备的初始化。如果我们查看x86_init结构，我们看到wallclock_init指向x86_init_noop：
struct x86_init_ops x86_init __initdata = {
...
...
...
.timers = {
.wallclock_init = x86_init_noop,
},
...
...
...
}
用于标准PC硬件. x86_init_noop只是一个什么都不做的函数：
void __cpuinit x86_init_noop（void）{}
实际上，wallclock_init功能用于Intel MID平台。 x86_init.timers.wallclock_init的初始化位于arch/x86/platform/intel-mid/intel-mid.c源代码文件的函数x86_intel_mid_early_setup中：
void __init x86_intel_mid_early_setup(void)
{
...
...
...
x86_init.timers.wallclock_init = intel_mid_rtc_init;
...
...
...
}
intel_mid_rtc_init函数的实现在arch/x86/platform/intel-mid /intel_mid_vrtc.c源代码文件，看起来很简单。首先，这个函数解析简单固件接口M-Real-Time-Clock表，用于将这些设备送到sfi_mrtc_array数组并初始化set_time和get_time函数：
void __init intel_mid_rtc_init(void)
{
unsigned long vrtc_paddr;
sfi_table_parse(SFI_SIG_MRTC, NULL, NULL, sfi_parse_mrtc);
vrtc_paddr = sfi_mrtc_array[0].phys_addr;
if (!sfi_mrtc_num || !vrtc_paddr)
return;
vrtc_virt_base = (void __iomem *)set_fixmap_offset_nocache(FIX_LNW_VRTC,
vrtc_paddr);
x86_platform.get_wallclock = vrtc_get_time;
x86_platform.set_wallclock = vrtc_set_mmss;
}
就是这样，在此之后，基于“Intel MID”的设备将能够从硬件时钟中获得时间。正如我已经写过的那样，标准PC x86_64架构不支持x86_init_noop，在调用此函数时什么都不做。我们刚看到实时时钟Intel MID体系结构，现在是时候回到一般的现在是时候回到x86_64体系结构，并将在那里查看时间管理相关的东西。
熟悉jiffies
如果我们返回setup_arch函数(如你所记得的那样，在arch/x86/kernel/setup.c源代码文件)，我们看到下次调用时间管理相关函数：
register_refined_jiffies(CLOCK_TICK_RATE);
在我们查看此函数的实现之前，我们必须了解jiffy。我们可以在维基百科上阅读：
Jiffy是一个非正式术语,表示不具体的非常短暂的时间段
这个定义非常类似于Linux内核中的jiffy。有一个带有“jiffies”的全局变量，它保存自系统启动以来发生的滴答数。 Linux内核将此变量设置为零：
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;
在初始化过程中。在定时器中断期间，每次都会增加此全局变量。除此之外，在jiffies变量附近我们可以看到类似变量的定义
extern u64 jiffies_64;
实际上，Linux内核中只使用其中一个变量，它取决于处理器类型。x86_64平台是u64类型,x86平台下是unsigned long类型。我们看到这个看arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S链接器脚本：
#ifdef CONFIG_X86_32
...
jiffies = jiffies_64;
...
#else
...
jiffies_64 = jiffies;
...
#endif
在x86_32的情况下，jiffies将是jiffies_64变量的低32位。我们可以将其想象两个变量的关系，见图示
jiffies_64
+-----------------------------------------------------+
| | |
| | |
| | jiffies on x86_32 |
| | |
| | |
+-----------------------------------------------------+
63 31 0
现在我们知道关于jiffies的一点理论，并且可以返回到我们的函数。我们的函数没有特定于体系结构的实现 – register_refined_jiffies。此函数位于通用内核代码 – kernel/time/jiffies.c源代码文件中。 register_refined_jiffies的要点是jiffyclockource的注册。在我们查看register_refined_jiffies函数的实现之前，我们必须知道clocksource是什么。我们可以在评论中看到：
clocksource是自由运行计数器的硬件抽象。 我不确定，但那个描述并没有对clocksource概念有很好的理解。让我们试着理解它是什么，但我们不会更深入，因为这个主题将在更详细的单独部分中描述。 clocksource的要点是计时抽象或非常简单的说-它为内核提供时间值。我们已经知道了jiffies接口，它表示自系统启动以来发生的滴答数。它由Linux内核中的全局变量表示，并在每个定时器中断后触发其值递增。 Linux内核可以使用jiffies进行时间测量。那么为什么我们需要像clocksource这样的单独环境？实际上，不同的硬件设备提供其功能不同的不同时钟源。用于时间间隔测量的更精确技术的可用性取决于硬件。
例如，x86在芯片上有一个64位计数器，称为时间戳计数器，其频率可以等于处理器频率。或者例如高精度事件计时器，其由至少10 MHz频率的64位计数器组成。两个不同的计时器，他们为x86提供计时服务。如果我们将添加来自其他架构的计时器，这只会使这个问题变得更加复杂。 Linux内核提供了clocksource概念来解决问题。
clocksource概念由Linux内核中的clocksource结构表示。此结构在include/linux/clocksource.h头文件中定义，并包含几个描述的字段时间计数器。例如，它包含 –name字段，它是计数器的名称，flags字段描述了计数器的不同属性，指向suspend和resume函数的指针等等。
让我们看一下在kernel/time/jiffies.c源中定义的jiffies的clocksource结构代码文件：
static struct clocksource clocksource_jiffies = {
.name = "jiffies",
.rating = 1,
.read = jiffies_read,
.mask = CLOCKSOURCE_MASK(32),
.mult = TICK_NSEC << JIFFIES_SHIFT,
.shift = JIFFIES_SHIFT,
.max_cycles = 10,
};
我们可以在这里看到默认名称的定义 – jiffies。接下来是rating字段，它允许通过指定硬件可用的时钟源管理代码选择最佳注册时钟源。 rating可能具有以下设置为以下值：
1-99– 仅用于启动和测试目的;100-199– 实用的功能，但不是理想的。200-299– 正确可用的clockource。300-399– 一个相当快速和准确的时钟源。400-499– 理想的时钟源。必要时必须使用; 例如，时间戳计数器的rating为300，但高精度事件计时器的rating是250。下一个字段是read– 它是指向允许它读取clocksource的循环值的函数的指针;换句话说，它只返回u64类型的jiffies变量：
static u64 jiffies_read(struct clocksource * cs)
{
return(u64)jiffies;
}
备注：
函数返回值调整 由circle_t ->u64
下一个字段是mask值，它确保来自非64位计数器的计数器值之间的减法不需要特殊的溢出逻辑。在我们的例子中，掩码是 CLOCKSOURCE_MASK(32)值为0xffffffff并且它是32位。这意味着jiffy在42秒后回绕到零：
>>> 0xffffffff
4294967295
# 42 nanoseconds
>>> 42 * pow(10, -9)
4.2000000000000006e-08
# 43 nanoseconds
>>> 43 * pow(10, -9)
4.3e-08
接下来的两个字段mult和shift用于将clocksource的周期转换为每个周期的纳秒。当内核调用clocksource.read函数时，这个函数返回一个machine时间单位的值，用我们刚才看到的u64数据类型表示。要将此返回值转换为纳秒，我们需要这两个字段：mult和shift。 clocksource提供clocksource_cyc2ns函数，它将使用以下表达式为我们执行：
((u64) cycles * mult)>> shift;
我们可以看到mult字段等于：
TICK_NSEC << JIFFIES_SHIFT
#define TICK_NSEC ((NSEC_PER_SEC+HZ/2)/HZ)
#define NSEC_PER_SEC 1000000000L
默认情况下，shift是
#if HZ <34
#define JIFFIES_SHIFT 6
#elif HZ <67
#define JIFFIES_SHIFT 7
＃else
#define JIFFIES_SHIFT 8
＃endif
jiffies时钟源使用TICK_NSEC乘数转化为以纳秒为单位的时钟频率。
备注：
clocksource.read读取的机器的时钟滴答为circle,纳秒为单位时钟频率为F, 每个周期的纳秒为t为:t = cirle / F如果使用上述的公式
t = (cycle * mult) >> shift;运算只要满足以下公式
F = (1 << shift) / mult;而mult值
mult= TICK_NSEC << shift;分子等于1, 分母等于一个滴答需要的纳秒数，分别左移shift位，放大${2}^{shift}$倍, 结果为F为单位的频率值
注意，JIFFIES_SHIFT和TICK_NSEC的值取决于HZ值。 HZ表示系统计时器的频率。这个宏在include/asm-generic/param.h中定义，取决于CONFIG_HZ内核配置选项。对于每个支持的体系结构，HZ的值不同，但对于x86，它的定义如下：
#define HZ CONFIG_HZ
CONFIG_HZ可以是以下值之一：
这意味着在我们的情况下，定时器中断频率为250HZ或每秒发生250次滴答或每4ms发生一次定时器中断。
我们在clocksource_jiffies结构的定义中可以看到的最后一个字段是 –max_cycles，它保存了最大循环值，可以安全地乘以而不会导致溢出。
好的，我们刚刚看到了clocksource_jiffies结构的定义，我们对jiffies和clocksource了解得很多，现在是时候回到我们函数的实现了。在本部分的开头，我们已经停止了以下的调用：
register_refined_jiffies(CLOCK_TICK_RATE);
函数来自arch/x86/kernel/setup.c源代码文件。
正如我已经写过的那样，register_refined_jiffies函数的主要目的是注册refined_jiffies clocksource。我们已经看到clocksource_jiffies结构代表了标准的jiffies时钟源。现在，如果你查看kernel/time/jiffies.c源代码文件，你会发现另一个时钟源定义：
struct clocksource refined_jiffies;
refined_jiffies和clocksource_jiffies之间有一个区别：基于标准jiffies的时钟源是应该在所有系统上运行的最低公分母时钟源。正如我们所知，每次定时器中断都会使得jiffies的值递增。这意味着基于标准jiffies的时钟源具有与定时器中断频率相同的分辨率。由此我们可以理解，基于标准jiffies的时钟源可能会受到不准确的影响。refined_jiffies使用CLOCK_TICK_RATE作为jiffies shift的基础。
我们来看看这个函数的实现。首先，我们可以看到基于clocksource_jiffies结构的refined_jiffies时钟源：
int register_refined_jiffies(long cycles_per_second)
{
u64 nsec_per_tick, shift_hz;
long cycles_per_tick;
refined_jiffies = clocksource_jiffies;
refined_jiffies.name = "refined-jiffies";
refined_jiffies.rating++;
...
...
...
在这里我们可以看到，我们将refined_jiffies的名称更新为refined-jiffies并增加该结构的rating。你还记得，clocksource_jiffies的rating为 – 1，所以我们的refined_jiffies clockource 的rating则为 – 2。这意味着refined_jiffies将是时钟源管理的最佳选择。 在下一步中，我们需要计算每个ticket的周期数：
cycles_per_tick = (cycles_per_second + HZ/2)/ HZ;
请注意，我们使用NSEC_PER_SEC宏作为标准jiffies乘数的基础。这里我们使用cycles_per_second，这是register_refined_jiffies函数的第一个参数。我们已将CLOCK_TICK_RATE宏传递给register_refined_jiffies函数。该宏在arch/x86/include/asm/timex.h头文件中定义并扩展到：
#define CLOCK_TICK_RATE PIT_TICK_RATE
其中PIT_TICK_RATE宏扩展到Intel 8253的频率：
#define PIT_TICK_RATE 1193182ul
在此之后，我们为register_refined_jiffies计算shift_hz，它的值为hz << 8或换句话说系统计时器的频率。我们将cycles_per_second或可编程间隔定时器的频率向左移动到8以获得额外的准确度：
shift_hz =(u64)cycles_per_second << 8;
shift_hz + = cycles_per_tick/2;
do_div(shift_hz，cycles_per_tick);
在下一步中，我们通过将NSEC_PER_SEC左移8来计算每个刻度的秒数，就像我们使用shift_hz一样，并执行与之前相同的计算：
nsec_per_tick =(u64)NSEC_PER_SEC << 8;
nsec_per_tick + =(u32)shift_hz/2;
do_div(nsec_per_tick，(u32)shift_hz);
refined_jiffies.mult = ((u32)nsec_per_tick)<< JIFFIES_SHIFT;
在register_refined_jiffies函数的末尾，我们使用在include/linux/clocksource.h中定义的__clocksource_register函数注册新的时钟源头文件并返回：
__clocksource_register(＆refined_jiffies);
return 0;
时钟源管理代码提供用于时钟源注册和选择的API。我们可以看到，通过在内核初始化期间调用__clocksource_register函数或从内核模块调用时钟源。在注册期间，时钟源管理代码将使用clocksource.rating字段选择系统中可用的最佳时钟源，我们在为jiffies初始化clocksource结构时已经看到了该字段。
使用jiffies
我们刚刚在前一段中看到了两个基于jiffies的时钟源的初始化：
standard jiffies的时钟源;
refined jiffies时钟源;
如果您不理解这里的计算，请不要担心。起初他们看起来很可怕。很快，我们会一步一步地学习这些东西。所以，我们刚刚看到基于jiffies的时钟源的初始化，我们也知道Linux内核有全局变量jiffies，它保存自内核开始工作以来发生的滴答数。现在，让我们看看如何使用它。要使用jiffies，我们可以使用jiffies全局变量的名称或get_jiffies_64函数的调用。此函数在kernel/time/jiffies.c源代码文件中定义，只返回完整的64位``jiffies的价值：
u64 get_jiffies_64(void)
{
unsigned long seq;
u64 ret;
do {
seq = read_seqbegin(&jiffies_lock);
ret = jiffies_64;
} while (read_seqretry(&jiffies_lock, seq));
return ret;
}
EXPORT_SYMBOL(get_jiffies_64);
请注意，get_jiffies_64函数未实现为jiffies_read，例如：
static u64 jiffies_read(struct clocksource * cs)
{
return(u64)jiffies;
}
我们可以看到get_jiffies_64的实现更复杂。使用seqlocks实现jiffies_64变量的读取。实际上这是针对无法原子读取完整64位值的机器完成的。 如果我们可以访问jiffies或jiffies_64变量，我们可以将它转换为human时间单位。为了得到一秒，我们可以使用以下表达式：
jiffies / HZ
所以，如果我们知道这一点，我们可以获得任何时间单位。例如：
/ *从现在开始三十秒* /
jiffies + 30 * HZ
/ *从现在开始两分钟* /
jiffies + 120 * HZ
/ *从现在起一毫秒* /
jiffies + HZ / 1000
就这样。
结论
第一部分总结了Linux内核中与时间和时间管理相关的概念。我们首先遇到了两个概念及其初始化：jiffies和clocksource。在下一部分中，我们将继续深入探讨这个有趣的主题，正如我在本部分已经写过的那样，我们将尝试深入理解Linux内核中这些和其他时间管理概念。
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请注意，英语不是我的第一语言，我很抱歉给您带来不便。如果您发现任何错误，请将PR发送至linux-insides。
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