Linux 中的时钟和定时测量 [email protected]. Linux Operating Systems Analysis2 举例.

Linux中的时钟和定时测量

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[email protected] Linux Operating Systems Analysis 2

举例


定时测量 Linux内核提供两种主要的定时测量

获得当前的时间和日期系统调用： time(), ftime()以及 gettimeofday()

维持定时器 settimer(), alarm()

定时测量是由基于固定频率振荡器和计数器的几个硬件电路完成的


主要内容定时的硬件设备 Linux内核中与时间有关的程序实现 CPU分时、更新系统时间、维护软定时器

与定时测量相关的系统调用及相关服务例程


硬时钟 80x86体系结构上，内核必须显式的与四种时钟打交道实时时钟 Real time clock， RTC 时间戳计数器 Time stamp counter， TSC 可编程间隔定时器 Programmable interval timer, P

IT SMP系统上的本地 APIC定时器

用于跟踪当前时间

产生周期性的时钟中断，用于计时


实时时钟 RTC

基本上所有的 PC都包含实时时钟独立于 CPU与所有其他芯片依靠一个独立的小电池供电给 RTC中的振荡器

即使关闭 PC电源，还会继续运转与 CMOS RAM往往集成在一个芯片内

例如：Motorala 146818能在 IRQ8上发出周期性的中断，频率在 2HZ

~8192之间可以对其编程实现一个闹钟


Linux本身只使用 RTC获得时间和日期对应的设备文件为 /dev/rtc

可以通过设备文件对其编程内核通过 0x70和 0x71两个端口访问 RTC系统管理员可以通过执行时钟程序设置时钟


时间戳计数器 TSC

在 80x86微处理器中，有一个 CLK输入引线接收外部振荡器的时钟信号

从 pentium开始，很多 80x86微处理器都引入了一个 TSC 一个 64位的、用作时间戳计数器的寄存器它在每个时钟信号（ CLK）到来时 +1

例如时钟频率 400MHz的微处理器， TSC每 2.5ns就+1

rdtsc指令用于读该寄存器


与后面介绍的可编程间隔定时器相比， TSC可以获得更精确的时钟为此， Linux在系统初始化的时候必须确定时钟信号 CLK的频率（即 CPU的实际频率）

calibrate_tsc 根据在一个相对较长的时间间隔内（约 50ms）所发生的 TSC计数的个数进行计算

那个间隔由可编程间隔定时器给出由于只在系统初始化的时候运行一次，因此本程序可以执行较长时间，而不会引起问题


可编程间隔定时器 PIT

经过适当编程后，可以周期性的给出时钟中断通常是 8254 CMOS芯片

使用 I/O端口 0x40~0x43 Linux将 PIT编程为：

100Hz 通过 IRQ0发出时钟中断

每 10ms产生一次时钟中断，即一个 tick


Tick的长短短

优点：分辨率高缺点：需要较多的 CPU时间处理，会导致用户程序运行变慢

适用于非常强大的机器，这种机器能够承担较大的系统开销

Tick的设置是一个折中，例如在大多数惠普的 Alpha和 Intel的 IA-64上约 1ms产生一个 tick（每秒 1024个时钟中断）

Rawhide Alpha工作站采用更高（ 1200tick/秒）


在 Linux中，下列宏决定时钟中断频率

每秒钟时钟中断的个数，即每秒 tick的个数

8254芯片的内部振荡器频率，每秒多少次

对 8254分频，获得 HZ所需的时钟


在 init_IRQ()中初始化时钟中断频率

此后，只要允许处理时钟中断，约每 10ms就会产生一个时钟中断1tick约为 10ms


如何计算 CPU的时钟频率 CLK

Linux在初始化的时候，利用可编程间隔定时器获得 CPU的频率

观察 calibrate_tsc()，了解如何计算 CPU的频率已知： PIT的频率未知： CLK频率方法：统计在 PIT已知的一段时间内（ 50ms），

CLK发生了多少次；然后计算出 CLK频率（次数 /50ms）


Linux的计时体系结构 Linux要周期性的执行一些任务，例如

更新系统自启动以来所经过的时间更新时间和日期确定进程运行了多久检查每个软定时器是否已经到期


在单处理器系统中，所有定时活动都由 IRQ0上的时钟中断触发，包括在中断中立即执行的部分，和作为下半部分延迟执行的部分


PIT的时钟中断处理例程 Linux初始化时由 time_init()建立 IRQ0对应的中断处理函数

将 irq0作为 irq_desc的第一项的中断处理函数


如果有 TSC，那么就得到时钟中断处理延迟，以给用户提供更精确的时钟

该函数会调用 do_timer进一步处理


do_timer

全局变量，存放自系统启动以来的时钟节拍数32位约 497天会溢出（回归为 0）

检查当前进程对时间片的使用情况

激活下半部分

如果 tq_timer非空，还要激活相关的下半部分处理


update_process_times

更新时间片视需要进行调度

统计当前进程对CPU时间的使用情况


TIMER_BH下半部分当时钟中断处理例程运行结束并返回时，会立即处理下半部分

更新系统日期和时间，计算当前的系统负载

维护软定时器处理


更新时间和日期用户程序从下面这个变量中获得当前时间和日期

存放从 1970年 1月 1日凌晨 0点以来经过的所有秒数

最后一秒已经过去的微秒数取值范围： 0~999999


系统初始化时， time_init()初始化时间和日期

观察 get_cmos_time()

获得 coms时间一旦完成， Linux不再需要 RTC，依靠下半部分维护 xtime


更新 xtime

上一次 xtime更新后的 jiffies


软定时器定时器是一种软件功能，它允许在将来的某个时刻调用某个函数

大多数设备驱动程序利用定时器完成一些特殊工作软盘驱动程序在软盘暂时不被访问时就关闭设备的发动机

并行打印机利用定时器检测错误的打印机情况


Linux中存在两类定时器：动态定时器

内核使用间隔定时器

由进程在用户态创建

注意：由于软定时器在下半部分处理，内核不能保证定时器正好在时钟到期的时候被执行，会存在延迟，不适用于实时应用


动态定时器动态定时器被动态的创建和撤销，当前活动的动态定时器个数没有限制

数据结构：

系统使用 512个双向链表维护动态定时器

定时器到期时要执行的函数

函数使用的参数

到期时间


创建并激活一个动态定时器创建一个新的 timer_list对象调用 init_timer初始化，并设置定时器要处理的函数和参数

设置定时时间使用 add_timer加入到合适的链表中

通常定时器只能执行一次，如果要周期性的执行，必须再次将其加入链表


动态定时器的处理为提高处理动态定时器的效率，必须给定时器排序，并使用合适的数据结构

Linux根据 expires的值，维护这样的数据结构


=64, 64个双向链表，包含了未来某个时间段内的动态定时器index指向当前应当用来更新上一级定时器的链表

（ =256）， 256个双向链表，每个表示对应时钟到期时的动态定时器链表Index表示当前节拍对应的那个链表

未来 214-1个节拍内的定时器每 256个节拍内的定时器为 1个链表共 64个




一点点不同：最后一个链表中的定时器的时间可以任意大


run_timer_list

下半部分 timer_bh()调用 run_timer_list()检查到期的动态定时器，包括：执行动态定时器更新链表

观察 run_timer_list()


动态定时器的应用使用 schedule_timeout()可以使进程被延迟（睡眠一段时间）

观察 schedule_timeout()并看一个内核应用实例


与定时测量相关的系统调用 time()

返回从 1970年 1月 1日凌晨 0点开始的秒数 ftime()

返回从 1970年 1月 1日凌晨 0点开始的秒数以及最后一秒的毫秒数

数据结构为 timeb gettimeofday()

返回从 1970年 1月 1日凌晨 0点开始的秒数对应于 sys_gettimeofday()


settimer() 间隔定时器

频率：周期性的触发定时器（若为 0，只触发一次） alarm()

引起 SIGALARM信号


与时钟相关的命令 date：显示或者更改系统时钟

使用 time获得时钟

使用 ctime改变时钟格式


Project 5

在用户态编写一个程序，该程序设定一个定时器，在时间到期的时候做出某种可观察的响应

方法不限

分析你的程序的实际执行借助了内核的哪些机制

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