Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn 助教：裴建国、冯晓静 Autumn 2008
Linux中的 时钟和定时测量 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn 助教：裴建国、冯晓静 Autumn 2008
定时测量 Linux内核提供两种主要的定时测量 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 获得当前的时间和日期 维持定时器 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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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, PIT 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 2019/5/5 Linux OS Analysis
实时时钟RTC 基本上所有的PC都包含实时时钟 与CMOS RAM往往集成在一个芯片内 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 2019/5/5 Linux OS Analysis
Linux本身只使用RTC获得时间和日期 对应的设备文件为/dev/rtc 内核通过0x70和0x71两个端口访问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 2019/5/5 Linux OS Analysis
时间戳计数器TSC 在80x86微处理器中，有一个CLK输入引线 从pentium开始，很多80x86微处理器都引入了一个TSC 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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 Linux将PIT编程为： 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 2019/5/5 Linux OS Analysis
Tick的长短 短 Tick的设置是一个折中，例如 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） 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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） 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
update_process_times 统计当前进程对 CPU时间的使用 情况 更新时间片 视需要进行调度 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
上一次xtime更新后的jiffies 更新xtime 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
Linux中存在两类定时器： 动态定时器 间隔定时器 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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 到期时间 函数使用的参数 定时器到期时要执行的函数 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
index指向当前应当用来更新上一级定时器的链表 =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 一点点不同：最后一个链表中的 定时器的时间可以任意大 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 未来220-1个节拍内的定时器 每214个节拍内的定时器为1个链表 共64个 未来226-1个节拍内的定时器 每220个节拍内的定时器为1个链表 共64个 未来232-1个节拍内的定时器 每226个节拍内的定时器为1个链表 共64个 2019/5/5 Linux OS Analysis
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() 2019/5/5 Linux OS Analysis
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） 2019/5/5 Linux OS Analysis
与定时测量相关的系统调用 time() ftime() gettimeofday() 返回从1970年1月1日凌晨0点开始的秒数 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() 对应于sys_gettimeofday() 2019/5/5 Linux OS Analysis
settimer() alarm() 间隔定时器 引起SIGALARM信号 频率：周期性的触发定时器（若为0，只触发一次） 2019/5/5 Linux OS Analysis
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 2019/5/5 Linux OS Analysis
Project 5 具体要求参见课程主页 分析下列几个内核函数 calibrate_tsc、 get_cmos_time、 run_timer_list、 schedule_timeout 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 2019/5/5 Linux OS Analysis