Linux时间子系统之四：定时器的引擎：clock_event_device

Posted 2020-09-25 Arnold Lu@南京

早期的内核版本中，进程的调度基于一个称之为tick的时钟滴答，通常使用时钟中断来定时地产生tick信号，每次tick定时中断都会进行进程的统计和调度，并对tick进行计数，记录在一个jiffies变量中，定时器的设计也是基于jiffies。这时候的内核代码中，几乎所有关于时钟的操作都是在machine级的代码中实现，很多公共的代码要在每个平台上重复实现。随后，随着通用时钟框架的引入，内核需要支持高精度的定时器，为此，通用时间框架为定时器硬件定义了一个标准的接口：clock_event_device，machine级的代码只要按这个标准接口实现相应的硬件控制功能，剩下的与平台无关的特性则统一由通用时间框架层来实现。

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1.  时钟事件软件架构

本系列文章的第一节中，我们曾经讨论了时钟源设备：clocksource，现在又来一个时钟事件设备：clock_event_device，它们有何区别？看名字，好像都是给系统提供时钟的设备，实际上，clocksource不能被编程，没有产生事件的能力，它主要被用于timekeeper来实现对真实时间进行精确的统计，而clock_event_device则是可编程的，它可以工作在周期触发或单次触发模式，系统可以对它进行编程，以确定下一次事件触发的时间，clock_event_device主要用于实现普通定时器和高精度定时器，同时也用于产生tick事件，供给进程调度子系统使用。时钟事件设备与通用时间框架中的其他模块的关系如下图所示：

                                                                  图1.1   clock_event_device软件架构

• 与clocksource一样，系统中可以存在多个clock_event_device，系统会根据它们的精度和能力，选择合适的clock_event_device对系统提供时钟事件服务。在smp系统中，为了减少处理器间的通信开销，基本上每个cpu都会具备一个属于自己的本地clock_event_device，独立地为该cpu提供时钟事件服务，smp中的每个cpu基于本地的clock_event_device，建立自己的tick_device，普通定时器和高精度定时器。
• 在软件架构上看，clock_event_device被分为了两层，与硬件相关的被放在了machine层，而与硬件无关的通用代码则被集中到了通用时间框架层，这符合内核对软件的设计需求，平台的开发者只需实现平台相关的接口即可，无需关注复杂的上层时间框架。
• tick_device是基于clock_event_device的进一步封装，用于代替原有的时钟滴答中断，给内核提供tick事件，以完成进程的调度和进程信息统计，负载平衡和时间更新等操作。

2.  时钟事件设备相关数据结构

2.1  struct clock_event_device

时钟事件设备的核心数据结构是clock_event_device结构，它代表着一个时钟硬件设备，该设备就好像是一个具有事件触发能力（通常就是指中断）的clocksource，它不停地计数，当计数值达到预先编程设定的数值那一刻，会引发一个时钟事件中断，继而触发该设备的事件处理回调函数，以完成对时钟事件的处理。clock_event_device结构的定义如下：

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1. struct clock_event_device { 
2. void            (*event_handler)(struct clock_event_device *); 
3. int         (*set_next_event)(unsigned long evt, 
4. struct clock_event_device *); 
5. int         (*set_next_ktime)(ktime_t expires, 
6. struct clock_event_device *); 
7.     ktime_t         next_event; 
8.     u64         max_delta_ns; 
9.     u64         min_delta_ns; 
10.     u32         mult; 
11.     u32         shift; 
12. enum clock_event_mode   mode; 
13.     unsigned int        features; 
14.     unsigned long       retries; 
16. void            (*broadcast)(const struct cpumask *mask); 
17. void            (*set_mode)(enum clock_event_mode mode, 
18. struct clock_event_device *); 
19.     unsigned long       min_delta_ticks; 
20.     unsigned long       max_delta_ticks; 
22. const char      *name; 
23. int         rating; 
24. int         irq; 
25. const struct cpumask    *cpumask; 
26. struct list_head    list; 
27. } ____cacheline_aligned; 

event_handler  该字段是一个回调函数指针，通常由通用框架层设置，在时间中断到来时，machine底层的的中断服务程序会调用该回调，框架层利用该回调实现对时钟事件的处理。

set_next_event  设置下一次时间触发的时间，使用类似于clocksource的cycle计数值（离现在的cycle差值）作为参数。

set_next_ktime  设置下一次时间触发的时间，直接使用ktime时间作为参数。

max_delta_ns  可设置的最大时间差，单位是纳秒。

min_delta_ns  可设置的最小时间差，单位是纳秒。

mult shift  与clocksource中的类似，只不过是用于把纳秒转换为cycle。

mode  该时钟事件设备的工作模式，两种主要的工作模式分别是：

• CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC  周期触发模式，设置后按给定的周期不停地触发事件；
• CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT  单次触发模式，只在设置好的触发时刻触发一次；

set_mode  函数指针，用于设置时钟事件设备的工作模式。

rating  表示该设备的精度等级。

list  系统中注册的时钟事件设备用该字段挂在全局链表变量clockevent_devices上。

2.2  全局变量clockevent_devices

系统中所有注册的clock_event_device都会挂在该链表下面，它在kernel/time/clockevents.c中定义：

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1. static LIST_HEAD(clockevent_devices); 

2.3  全局变量clockevents_chain

通用时间框架初始化时会注册一个通知链（NOTIFIER），当系统中的时钟时间设备的状态发生变化时，利用该通知链通知系统的其它模块。

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1. /* Notification for clock events */
2. static RAW_NOTIFIER_HEAD(clockevents_chain); 

3.  clock_event_device的初始化和注册

每一个machine，都要定义一个自己的machine_desc结构，该结构定义了该machine的一些最基本的特性，其中需要设定一个sys_timer结构指针，machine级的代码负责定义sys_timer结构，sys_timer的声明很简单：

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1. struct sys_timer { 
2. void            (*init)(void); 
3. void            (*suspend)(void); 
4. void            (*resume)(void); 
5. #ifdef CONFIG_ARCH_USES_GETTIMEOFFSET
6.     unsigned long       (*offset)(void); 
7. #endif
8. }; 

通常，我们至少要定义它的init字段，系统初始化阶段，该init回调会被调用，该init回调函数的主要作用就是完成系统中的clocksource和clock_event_device的硬件初始化工作，以samsung的exynos4为例，在V3.4内核的代码树中，machine_desc的定义如下：

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1. MACHINE_START(SMDK4412, "SMDK4412") 
2. /* Maintainer: Kukjin Kim <[email protected]> */
3. /* Maintainer: Changhwan Youn <[email protected]> */
4.     .atag_offset    = 0x100, 
5.     .init_irq   = exynos4_init_irq, 
6.     .map_io     = smdk4x12_map_io, 
7.     .handle_irq = gic_handle_irq, 
8.     .init_machine   = smdk4x12_machine_init, 
9.     .timer      = &exynos4_timer, 
10.     .restart    = exynos4_restart, 
11. MACHINE_END 

定义的sys_timer是exynos4_timer，它的定义和init回调定义如下：

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1. static void __init exynos4_timer_init(void) 
2. { 
3. if (soc_is_exynos4210()) 
4.         mct_int_type = MCT_INT_SPI; 
5. else
6.         mct_int_type = MCT_INT_PPI; 
8.     exynos4_timer_resources(); 
9.     exynos4_clocksource_init(); 
10.     exynos4_clockevent_init(); 
11. } 
13. struct sys_timer exynos4_timer = { 
14.     .init       = exynos4_timer_init, 
15. }; 

exynos4_clockevent_init函数显然是初始化和注册clock_event_device的合适时机，在这里，它注册了一个rating为250的clock_event_device，并把它指定给cpu0：

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1. static struct clock_event_device mct_comp_device = { 
2.     .name       = "mct-comp", 
3.     .features       = CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC | CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT, 
4.     .rating     = 250, 
5.     .set_next_event = exynos4_comp_set_next_event, 
6.     .set_mode   = exynos4_comp_set_mode, 
7. }; 
8. ...... 
9. static void exynos4_clockevent_init(void) 
10. { 
11.     clockevents_calc_mult_shift(&mct_comp_device, clk_rate, 5); 
12.         ...... 
13.     mct_comp_device.cpumask = cpumask_of(0); 
14.     clockevents_register_device(&mct_comp_device); 
16.     setup_irq(EXYNOS4_IRQ_MCT_G0, &mct_comp_event_irq); 
17. } 

因为这个阶段其它cpu核尚未开始工作，所以该clock_event_device也只是在启动阶段给系统提供服务，实际上，因为exynos4是一个smp系统，具备2-4个cpu核心，前面说过，smp系统中，通常会使用各个cpu的本地定时器来为每个cpu单独提供时钟事件服务，继续翻阅代码，在系统初始化的后段，kernel_init会被调用，它会调用smp_prepare_cpus，其中会调用percpu_timer_setup函数，在arch/arm/kernel/smp.c中，为每个cpu定义了一个clock_event_device：

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1. /*
2. * Timer (local or broadcast) support
3. */
4. static DEFINE_PER_CPU(struct clock_event_device, percpu_clockevent); 

percpu_timer_setup最终会调用exynos4_local_timer_setup函数完成对本地clock_event_device的初始化工作：

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1. static int __cpuinit exynos4_local_timer_setup(struct clock_event_device *evt) 
2. { 
3.     ...... 
4.     evt->name = mevt->name; 
5.     evt->cpumask = cpumask_of(cpu); 
6.     evt->set_next_event = exynos4_tick_set_next_event; 
7.     evt->set_mode = exynos4_tick_set_mode; 
8.     evt->features = CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC | CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT; 
9.     evt->rating = 450; 
11.     clockevents_calc_mult_shift(evt, clk_rate / (TICK_BASE_CNT + 1), 5); 
12.     ...... 
13.     clockevents_register_device(evt); 
14.     ...... 
15.     enable_percpu_irq(EXYNOS_IRQ_MCT_LOCALTIMER, 0); 
16.     ...... 
17. return 0; 
18. } 

由此可见，每个cpu的本地clock_event_device的rating是450，比启动阶段的250要高，显然，之前注册给cpu0的精度要高，系统会用本地clock_event_device替换掉原来分配给cpu0的clock_event_device，至于怎么替换？我们先停一停，到这里我们一直在讨论machine级别的初始化和注册，让我们回过头来，看看框架层的初始化。在继续之前，让我们看看整个clock_event_device的初始化的调用序列图：

                                                                                           图3.1  clock_event_device的系统初始化

由上面的图示可以看出，框架层的初始化步骤很简单，又start_kernel开始，调用tick_init，它位于kernel/time/tick-common.c中，也只是简单地调用clockevents_register_notifier，同时把类型为notifier_block的tick_notifier作为参数传入，回看2.3节，clockevents_register_notifier注册了一个通知链，这样，当系统中的clock_event_device状态发生变化时（新增，删除，挂起，唤醒等等），tick_notifier中的notifier_call字段中设定的回调函数tick_notify就会被调用。接下来start_kernel调用了time_init函数，该函数通常定义在体系相关的代码中，正如前面所讨论的一样，它主要完成machine级别对时钟系统的初始化工作，最终通过clockevents_register_device注册系统中的时钟事件设备，把每个时钟时间设备挂在clockevent_device全局链表上，最后通过clockevent_do_notify触发框架层事先注册好的通知链，其实就是调用了tick_notify函数，我们主要关注CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD通知，其它通知请自行参考代码，下面是tick_notify的简化版本：

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1. static int tick_notify(struct notifier_block *nb, unsigned long reason, 
2. void *dev) 
3. { 
4. switch (reason) { 
6. case CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD: 
7. return tick_check_new_device(dev); 
9. case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_ON: 
10. case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_OFF: 
11. case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_FORCE: 
12.             ...... 
13. case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_ENTER: 
14. case CLOCK_EVT_NOTIFY_BROADCAST_EXIT: 
15.             ...... 
16. case CLOCK_EVT_NOTIFY_CPU_DYING: 
17.             ...... 
18. case CLOCK_EVT_NOTIFY_CPU_DEAD: 
19.             ...... 
20. case CLOCK_EVT_NOTIFY_SUSPEND: 
21.             ...... 
22. case CLOCK_EVT_NOTIFY_RESUME: 
23.             ...... 
24.     } 
26. return NOTIFY_OK; 
27. } 

可见，对于新注册的clock_event_device，会发出CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD通知，最终会进入函数：tick_check_new_device，这个函数比对当前cpu所使用的与新注册的clock_event_device之间的特性，如果认为新的clock_event_device更好，则会进行切换工作。下一节将会详细的讨论该函数。到这里，每个cpu已经有了自己的clock_event_device，在这以后，框架层的代码会根据内核的配置项（CONFIG_NO_HZ、CONFIG_HIGH_RES_TIMERS），对注册的clock_event_device进行不同的设置，从而为系统的tick和高精度定时器提供服务，这些内容我们留在本系列的后续文章进行讨论。

4.  tick_device

当内核没有配置成支持高精度定时器时，系统的tick由tick_device产生，tick_device其实是clock_event_device的简单封装，它内嵌了一个clock_event_device指针和它的工作模式：

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1. struct tick_device { 
2. struct clock_event_device *evtdev; 
3. enum tick_device_mode mode; 
4. }; 

在kernel/time/tick-common.c中，定义了一个per-cpu的tick_device全局变量，tick_cpu_device：

[cpp] view plain copy

1. /*
2. * Tick devices
3. */
4. DEFINE_PER_CPU(struct tick_device, tick_cpu_device); 

前面曾经说过，当machine的代码为每个cpu注册clock_event_device时，通知回调函数tick_notify会被调用，进而进入tick_check_new_device函数，下面让我们看看该函数如何工作，首先，该函数先判断注册的clock_event_device是否可用于本cpu，然后从per-cpu变量中取出本cpu的tick_device：

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1. static int tick_check_new_device(struct clock_event_device *newdev) 
2. { 
3.         ...... 
4.     cpu = smp_processor_id(); 
5. if (!cpumask_test_cpu(cpu, newdev->cpumask)) 
6. goto out_bc; 
8.     td = &per_cpu(tick_cpu_device, cpu); 
9.     curdev = td->evtdev; 

如果不是本地clock_event_device，会做进一步的判断：如果不能把irq绑定到本cpu，则放弃处理，如果本cpu已经有了一个本地clock_event_device，也放弃处理：

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1. if (!cpumask_equal(newdev->cpumask, cpumask_of(cpu))) { 
2.                ...... 
3. if (!irq_can_set_affinity(newdev->irq)) 
4. goto out_bc; 
5.                ...... 
6. if (curdev && cpumask_equal(curdev->cpumask, cpumask_of(cpu))) 
7. goto out_bc; 
8. } 

反之，如果本cpu已经有了一个clock_event_device，则根据是否支持单触发模式和它的rating值，决定是否替换原来旧的clock_event_device：

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1. if (curdev) { 
2. if ((curdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT) && 
3.         !(newdev->features & CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT)) 
4. goto out_bc;  // 新的不支持单触发，但旧的支持，所以不能替换
5. if (curdev->rating >= newdev->rating) 
6. goto out_bc;  // 旧的比新的精度高，不能替换
7. } 

在这些判断都通过之后，说明或者来cpu还没有绑定tick_device，或者是新的更好，需要替换：

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1. if (tick_is_broadcast_device(curdev)) { 
2.     clockevents_shutdown(curdev); 
3.     curdev = NULL; 
4. } 
5. clockevents_exchange_device(curdev, newdev); 
6. tick_setup_device(td, newdev, cpu, cpumask_of(cpu)); 

上面的tick_setup_device函数负责重新绑定当前cpu的tick_device和新注册的clock_event_device，如果发现是当前cpu第一次注册tick_device，就把它设置为TICKDEV_MODE_PERIODIC模式，如果是替换旧的tick_device，则根据新的tick_device的特性，设置为TICKDEV_MODE_PERIODIC或TICKDEV_MODE_ONESHOT模式。可见，在系统的启动阶段，tick_device是工作在周期触发模式的，直到框架层在合适的时机，才会开启单触发模式，以便支持NO_HZ和HRTIMER。

5.  tick事件的处理--最简单的情况

clock_event_device最基本的应用就是实现tick_device，然后给系统定期地产生tick事件，通用时间框架对clock_event_device和tick_device的处理相当复杂，因为涉及配置项：CONFIG_NO_HZ和CONFIG_HIGH_RES_TIMERS的组合，两个配置项就有4种组合，这四种组合的处理都有所不同，所以这里我先只讨论最简单的情况：

• CONFIG_NO_HZ == 0;
• CONFIG_HIGH_RES_TIMERS == 0;

在这种配置模式下，我们回到上一节的tick_setup_device函数的最后：

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1. if (td->mode == TICKDEV_MODE_PERIODIC) 
2.     tick_setup_periodic(newdev, 0); 
3. else
4.     tick_setup_oneshot(newdev, handler, next_event); 

因为启动期间，第一个注册的tick_device必然工作在TICKDEV_MODE_PERIODIC模式，所以tick_setup_periodic会设置clock_event_device的事件回调字段event_handler为tick_handle_periodic，工作一段时间后，就算有新的支持TICKDEV_MODE_ONESHOT模式的clock_event_device需要替换，再次进入tick_setup_device函数，tick_setup_oneshot的handler参数也是之前设置的tick_handle_periodic函数，所以我们考察tick_handle_periodic即可：

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1. void tick_handle_periodic(struct clock_event_device *dev) 
2. { 
3. int cpu = smp_processor_id(); 
4.     ktime_t next; 
6.     tick_periodic(cpu); 
8. if (dev->mode != CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT) 
9. return; 
11.     next = ktime_add(dev->next_event, tick_period); 
12. for (;;) { 
13. if (!clockevents_program_event(dev, next, false)) 
14. return; 
15. if (timekeeping_valid_for_hres()) 
16.             tick_periodic(cpu); 
17.         next = ktime_add(next, tick_period); 
18.     } 
19. } 

该函数首先调用tick_periodic函数，完成tick事件的所有处理，如果是周期触发模式，处理结束，如果工作在单触发模式，则计算并设置下一次的触发时刻，这里用了一个循环，是为了防止当该函数被调用时，clock_event_device中的计时实际上已经经过了不止一个tick周期，这时候，tick_periodic可能被多次调用，使得jiffies和时间可以被正确地更新。tick_periodic的代码如下：

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1. static void tick_periodic(int cpu) 
2. { 
3. if (tick_do_timer_cpu == cpu) { 
4.         write_seqlock(&xtime_lock); 
6. /* Keep track of the next tick event */
7.         tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period); 
9.         do_timer(1); 
10.         write_sequnlock(&xtime_lock); 
11.     } 
13.     update_process_times(user_mode(get_irq_regs())); 
14.     profile_tick(CPU_PROFILING); 
15. } 

如果当前cpu负责更新时间，则通过do_timer进行以下操作：

• 更新jiffies_64变量；
• 更新墙上时钟；
• 每10个tick，更新一次cpu的负载信息；

调用update_peocess_times，完成以下事情：

• 更新进程的时间统计信息；
• 触发TIMER_SOFTIRQ软件中断，以便系统处理传统的低分辨率定时器；
• 检查rcu的callback；
• 通过scheduler_tick触发调度系统进行进程统计和调度工作；