Linux之时钟中断

Posted 2020-09-07 专注it

from：深入分析Linux内核源码（http://oss.org.cn/kernel-book/）

 时钟中断的产生

     Linux的OS时钟的物理产生原因是可编程定时/计数器产生的输出脉冲，这个脉冲送入CPU，就可以引发一个中断请求信号，我们就把它叫做时钟中断。

“时钟中断”是特别重要的一个中断，因为整个操作系统的活动都受到它的激励。系统利用时钟中断维持系统时间、促使环境的切换，以保证所有进程共享CPU；利用时钟中断进行记帐、监督系统工作以及确定未来的调度优先级等工作。可以说，“时钟中断”是整个操作系统的脉搏。

时钟中断的物理产生如图所示：

                       
                                                              图 8253和8259A的物理连接方式

操作系统对可编程定时/计数器进行有关初始化，然后定时/计数器就对输入脉冲进行计数（分频），产生的三个输出脉冲Out0、Out1、Out2各有用途，很多接口书都介绍了这个问题，我们只看Out0上的输出脉冲，这个脉冲信号接到中断控制器8259A_1的0号管脚，触发一个周期性的中断，我们就把这个中断叫做时钟中断，时钟中断的周期，也就是脉冲信号的周期，我们叫做“滴答”或“时标”（tick）。从本质上说，时钟中断只是一个周期性的信号，完全是硬件行为，该信号触发CPU去执行一个中断服务程序，但是为了方便，我们就把这个服务程序叫做时钟中断。

 

Linux实现时钟中断的全过程

1．可编程定时/计数器的初始化

 

IBM PC中使用的是8253或8254芯片。有关该芯片的详细知识我们不再详述，只大体介绍以下它的组成和作用，如下表5.1所示：

 

表         8253/8254的组成及作用

名称	端口地址	工作方式	产生的输出脉冲的用途
计数器0	0x40	方式3	时钟中断，也叫系统时钟
计数器1	0x41	方式2	动态存储器刷新
计数器2	0x42	方式3	扬声器发声
控制寄存器	0x43	/	用于8253的初始化，接收控制字

 

计数器0的输出就是图5.3中的Out0，它的频率由操作系统的设计者确定，Linux对8253的初始化程序段如下（在/arch/i386/kernel/i8259.c的init_IRQ（）函数中）：

 

set_intr_gate(ox20, interrupt[0]);

／*在IDT的第0x20个表项中插入一个中断门。这个门中的段选择符设置成内核代码段的选择符，偏移域设置成0号中断处理程序的入口地址。*/

 

outb_p(0x34,0x43);     /* 写计数器0的控制字：工作方式2*/

outb_p(LATCH & 0xff , 0x40);   /* 写计数初值LSB  计数初值低位字节*/  

outb(LATCH >> 8 , 0x40);   /* 写计数初值MSB 计数初值高位字节*/

 

LATCH（英文意思为：锁存器，即其中锁存了计数器0的初值）为计数器0的计数初值，在/include/linux/timex.h中定义如下：

 

#define CLOCK_TICK_RATE    1193180    /* 图5.3中的输入脉冲 */

#define LATCH  ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ)  /* 计数器0的计数初值 */

 

CLOCK_TICK_RATE是整个8253的输入脉冲，如图5.3中所示为1.193180MHz，是近似为1MHz的方波信号，8253内部的三个计数器都对这个时钟进行计数，进而产生不同的输出信号，用于不同的用途。

HZ表示计数器0的频率，也就是时钟中断或系统时钟的频率，在/include/asm/param.h中定义如下:

 

#define HZ 100

 

2.与时钟中断相关的函数

下面我们看时钟中断触发的服务程序，该程序代码比较复杂，分布在不同的源文件中，主要包括如下函数：

时钟中断程序：timer_interrupt( )；

中断服务通用例程do_timer_interrupt();

时钟函数：do_timer( )；

中断安装程序：setup_irq( );

中断返回函数：ret_from_intr( );

 

前三个函数的调用关系如下：

     timer_interrupt( )

                                      

                          do_timer_interrupt()

                                                          

                                                   do_timer( )

(1) timer_interrupt( )

    这个函数大约每10ms被调用一次，实际上, timer_interrupt( )函数是一个封装例程,它真正做的事情并不多,但是,作为一个中断程序,它必须在关中断的情况下执行。如果只考虑单处理机的情况，该函数主要语句就是调用do_timer_interrupt()函数。

 

(2) do_timer_interrupt()

do_timer_interrupt()函数有两个主要任务,一个是调用do_timer( ),另一个是维持实时时钟(RTC,每隔一定时间段要回写),其实现代码在/arch/i386/kernel/time.c中， 为了突出主题，笔者对以下函数作了改写，以便于读者理解：

 

static inline void do_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

{

   do_timer(regs); /* 调用时钟函数，将时钟函数等同于时钟中断未尝不可*/

    

   if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660)

update_RTC();

 

 /*每隔11分钟就更新RTC中的时间信息，以使OS时钟和RTC时钟保持同步,11分钟即660秒，xtime.tv_sec的单位是秒,last_rtc_update记录的是上次RTC更新时的值 */

                                                       

}

 

  其中，xtime是前面所提到的timeval类型，这是一个全局变量。

 

(3) 时钟函数do_timer() (在/kernel/sched.c中)

 

void do_timer(struct pt_regs * regs)

{

   (*(unsigned long *)&jiffies)++;  /*更新系统时间，这种写法保证对jiffies

操作的原子性*/

 

 update_process_times（）;

    ++lost_ticks;

   if( ! user_mode ( regs ) )

       ++lost_ticks_system;

 

       mark_bh(TIMER_BH);           

   if (tq_timer)                    

       mark_bh(TQUEUE_BH);

}

 

其中，update_process_times（）函数与进程调度有关，从函数的名子可以看出，它处理的是与当前进程与时间有关的变量，例如，要更新当前进程的时间片计数器counter，如果counter<=0，则要调用调度程序，要处理进程的所有定时器：实时、虚拟、概况，另外还要做一些统计工作。

与时间有关的事情很多，不能全都让这个函数去完成，这是因为这个函数是在关中断的情况下执行，必须处理完最重要的时间信息后退出，以处理其他事情。那么，与时间相关的其他信息谁去处理，何时处理？这就是由第三章讨论的后半部分去去处理。 上面timer_interrupt()（包括它所调用的函数）所做的事情就是上半部分。

在该函数中还有两个变量lost_ticks和lost_ticks_system，这是用来记录timer_bh（）执行前时钟中断发生的次数。因为时钟中断发生的频率很高（每10ms一次），所以在timer_bh（）执行之前，可能已经有时钟中断发生了，而timer_bh（）要提供定时、记费等重要操作，所以为了保证时间计量的准确性，使用了这两个变量。lost_ticks用来记录timer_bh（）执行前时钟中断发生的次数，如果时钟中断发生时当前进程运行于内核态，则lost_ticks_system用来记录timer_bh（）执行前在内核态发生时钟中断的次数，这样可以对当前进程精确记费。

 

（4）中断安装程序

     从上面的介绍可以看出，时钟中断与进程调度密不可分，因此，一旦开始有时钟中断就可能要进行调度，在系统进行初始化时，所做的大量工作之一就是对时钟进行初始化，其函数time_init ()的代码在/arch/i386/kernel/time.c中，对其简写如下：

 void __init time_init(void)

  {

xtime.tv_sec=get_cmos_time();

xtime.tv_usec=0;

setup_irq（0，＆irq0）;

}

  

   其中的get_cmos_time()函数就是把当时的实际时间从CMOS时钟芯片读入变量xtime中，时间精度为秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是时钟中断安装函数，那么irq0指的是什么呢，它是一个结构类型irqaction，其定义及初值如下：

 

static struct irqaction irq0  = { timer_interrupt, SA_INTERRUPT, 0, "timer", NULL, NULL};

 

setup_irq(0, &irq0)的代码在/arch/i386/kernel/irq.c中，其主要功能就是将中断程序连入相应的中断请求队列，以等待中断到来时相应的中断程序被执行。

 

到现在为止，我们仅仅是把时钟中断程序挂入中断请求队列，什么时候执行，怎样执行，这是一个复杂的过程（参见第三章），为了让读者对时钟中断有一个完整的认识，我们忽略中间过程，而给出一个整体描述。我们将有关函数改写如下，体现时钟中断的大意：

 

do_timer_interrupt( )          ／*这是一个伪函数 *／

{                                            

   SAVE_ALL                    ／*保存处理机现场 *／

   intr_count += 1;              ／* 这段操作不允许被中断 *／

   timer_interrupt()             ／* 调用时钟中断程序 *／

   intr_count -= 1;              

   jmp ret_from_intr             /* 中断返回函数 *／

}

   

   其中，jmp ret_from_intr 是一段汇编代码，也是一个较为复杂的过程，它最终要调用jmp ret_from_sys_call，即系统调用返回函数，而这个函数与进程的调度又密切相关，，因此，我们重点分析  jmp ret_from_sys_call。

   

3．系统调用返回函数：

  系统调用返回函数的源代码在/arch/i386/kernel/entry.S中

  

ENTRY(ret_from_sys_call)

         cli                 # need_resched and signals atomic test

         cmpl $0,need_resched(%ebx)

         jne reschedule

         cmpl $0,sigpending(%ebx)

         jne signal_return

 restore_all:

         RESTORE_ALL

 

         ALIGN

 signal_return:

         sti              # we can get here from an interrupt handler

         testl $(VM_MASK),EFLAGS(%esp)

         movl %esp,%eax

         jne v86_signal_return

         xorl %edx,%edx

         call SYMBOL_NAME(do_signal)

         jmp restore_all

 

         ALIGN

        v86_signal_return:

         call SYMBOL_NAME(save_v86_state)

         movl %eax,%esp

         xorl %edx,%edx

         call SYMBOL_NAME(do_signal)

         jmp restore_all

  ….

 reschedule:

         call SYMBOL_NAME(schedule)    # test

        jmp ret_from_sys_call

 

这一段汇编代码就是前面我们所说的“从系统调用返回函数”ret_from_sys_call，它是从中断、异常及系统调用返回时的通用接口。这段代码主体就是ret_from_sys_call函数，其执行过程中要调用其它一些函数(实际上是一段代码，不是真正的函数)，在此我们列出相关的几个函数：

（1）ret_from_sys_call：主体

（2）reschedule：检测是否需要重新调度

（3）signal_return：处理当前进程接收到的信号

（4）v86_signal_return：处理虚拟86模式下当前进程接收到的信号

（5）RESTORE_ALL：我们把这个函数叫做彻底返回函数，因为执行该函数之后，就返回到当前进程的地址空间中去了。

可以看到ret_from_sys_call的主要作用有：

检测调度标志need_resched，决定是否要执行调度程序；处理当前进程的信号；恢复当前进程的环境使之继续执行。

 

最后我们再次从总体上浏览一下时钟中断：

每个时钟滴答，时钟中断得到执行。时钟中断执行的频率很高：100次/秒，时钟中断的主要工作是处理和时间有关的所有信息、决定是否执行调度程序以及处理下半部分。和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器，进程更新后的时间片为进程调度提供依据，然后在时钟中断返回时决定是否要执行调度程序。下半部分处理程序是Linux提供的一种机制，它使一部分工作推迟执行。时钟中断要绝对保证维持系统时间的准确性，而下半部分这种机制的提供不但保证了这种准确性，还大幅提高了系统性能。