Linux時間子系統之一：clock source（時鍾源）

clock source用於為linux內核提供一個時間基線，如果你用linux的date命令獲取當前時間，內核會讀取當前的clock source，轉換並返回合適的時間單位給用戶空間。在硬件層，它通常實現為一個由固定時鍾頻率驅動的計數器，計數器只能單調地增加，直到溢出為止。時鍾源是內核計時的基礎，系統啟動時，內核通過硬件RTC獲得當前時間，在這以后，在大多數情況下，內核通過選定的時鍾源更新實時時間信息（牆上時間），而不再讀取RTC的時間。本節的內核代碼樹基於V3.4.10。

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1.  struct clocksource結構

內核用一個clocksource結構對真實的時鍾源進行軟件抽象，現在我們從clock source的數據結構開始，它的定義如下：

 

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;

我們只關注clocksource中的幾個重要的字段。

 

1.1  rating：時鍾源的精度

同一個設備下，可以有多個時鍾源，每個時鍾源的精度由驅動它的時鍾頻率決定，比如一個由10MHz時鍾驅動的時鍾源，他的精度就是100nS。clocksource結構中有一個rating字段，代表着該時鍾源的精度范圍，它的取值范圍如下：

• 1--99： 不適合於用作實際的時鍾源，只用於啟動過程或用於測試；
• 100--199：基本可用，可用作真實的時鍾源，但不推薦；
• 200--299：精度較好，可用作真實的時鍾源；
• 300--399：很好，精確的時鍾源；
• 400--499：理想的時鍾源，如有可能就必須選擇它作為時鍾源；

 

1.2  read回調函數

時鍾源本身不會產生中斷，要獲得時鍾源的當前計數，只能通過主動調用它的read回調函數來獲得當前的計數值，注意這里只能獲得計數值，也就是所謂的cycle，要獲得相應的時間，必須要借助clocksource的mult和shift字段進行轉換計算。

1.3  mult和shift字段

因為從clocksource中讀到的值是一個cycle計數值，要轉換為時間，我們必須要知道驅動clocksource的時鍾頻率F，一個簡單的計算就可以完成：

 

 

t = cycle/F;

 

 

可是clocksource並沒有保存時鍾的頻率F，因為使用上面的公式進行計算，需要使用浮點運算，這在內核中是不允許的，因此，內核使用了另外一個變通的辦法，根據時鍾的頻率和期望的精度，事先計算出兩個輔助常數mult和shift，然后使用以下公式進行cycle和t的轉換：

 

 

t = (cycle * mult) >> shift;

 

 

只要我們保證：

 

 

F = (1 << shift) / mult;

 

 

內核內部使用64位進行該轉換計算：

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

從轉換精度考慮，mult的值是越大越好，但是為了計算過程不發生溢出，mult的值又不能取得過大。為此內核假設cycle計數值被轉換后的最大時間值：10分鍾（600秒），主要的考慮是CPU進入IDLE狀態后，時間信息不會被更新，只要在10分鍾內退出IDLE，clocksource的cycle計數值就可以被正確地轉換為相應的時間，然后系統的時間信息可以被正確地更新。當然最后的結果不一定是10分鍾，它由clocksource_max_deferment進行計算，並保存max_idle_ns字段中，tickless的代碼要考慮這個值，以防止在NO_HZ配置環境下，系統保持IDLE狀態的時間過長。在這樣，由10分鍾這個假設的時間值，我們可以推算出合適的mult和shift值。

2.  clocksource的注冊和初始化

通常，clocksource要在初始化階段通過clocksource_register_hz函數通知內核它的工作時鍾的頻率，調用的過程如下：


由上圖可見，最終大部分工作會轉由__clocksource_register_scale完成，該函數首先完成對mult和shift值的計算，然后根據mult和shift值，最終通過clocksource_max_deferment獲得該clocksource可接受的最大IDLE時間，並記錄在clocksource的max_idle_ns字段中。clocksource_enqueue函數負責按clocksource的rating的大小，把該clocksource按順序掛在全局鏈表clocksource_list上，rating值越大，在鏈表上的位置越靠前。

每次新的clocksource注冊進來，都會觸發clocksource_select函數被調用，它按照rating值選擇最好的clocksource，並記錄在全局變量curr_clocksource中，然后通過timekeeping_notify函數通知timekeeping，當前clocksource已經變更，關於timekeeping，我將會在后續的博文中闡述。

3.  clocksource watchdog

 

系統中可能同時會注冊對個clocksource，各個clocksource的精度和穩定性各不相同，為了篩選這些注冊的clocksource，內核啟用了一個定時器用於監控這些clocksource的性能，定時器的周期設為0.5秒：

 

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

 

當有新的clocksource被注冊時，除了會掛在全局鏈表clocksource_list外，還會同時掛在一個watchdog鏈表上：watchdog_list。定時器周期性地（0.5秒）檢查watchdog_list上的clocksource，WATCHDOG_THRESHOLD的值定義為0.0625秒，如果在0.5秒內，clocksource的偏差大於這個值就表示這個clocksource是不穩定的，定時器的回調函數通過clocksource_watchdog_kthread線程標記該clocksource，並把它的rate修改為0，表示精度極差。

4.  建立clocksource的簡要過程

在系統的啟動階段，內核注冊了一個基於jiffies的clocksource，代碼位於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值為1，如果平台的代碼沒有提供定制的clocksource_default_clock函數，它將返回該clocksource：

 

 

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

然后，在初始化的后段，clocksource的代碼會把全局變量curr_clocksource設置為上述的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);

當然，如果平台級的代碼在初始化時也會注冊真正的硬件clocksource，所以經過clocksource_select()函數后，curr_clocksource將會被設為最合適的clocksource。如果clocksource_select函數認為需要切換更好的時鍾源，它會通過timekeeping_notify通知timekeeping系統，使用新的clocksource進行時間計數和更新操作。