Linux时间系统：时钟源clocsource

2019-11-09 19:04:09

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供稿：网友

时钟源(clock source)

clock source顾名思义就是提供给系统提供时钟的时钟源。 clock source负责读取芯片中按时间增加的值(所谓cycle)，并提供给timekeeper，当然也要提供按cycle的值计算时间间隔的内容。 clocksource以及timer相关的内容都在kernel/kernel/time目录下面。

obj-y += timekeeping.o ntp.o clocksource.o jiffies.o timer_list.oobj-y += timeconv.o posix-clock.o alarmtimer.oobj-$(CONFIG_GENERIC_CLOCKEVENTS_BUILD) += clockevents.oobj-$(CONFIG_GENERIC_CLOCKEVENTS) += tick-common.oobj-$(CONFIG_GENERIC_CLOCKEVENTS_BROADCAST) += tick-broadcast.o tick-broadcast-hrtimer.oobj-$(CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK) += sched_clock.oobj-$(CONFIG_TICK_ONESHOT) += tick-oneshot.oobj-$(CONFIG_TICK_ONESHOT) += tick-sched.oobj-$(CONFIG_TIMER_STATS) += timer_stats.o

下面来看一下时钟源是怎么注册上去，怎么提供计算时间的内容给timekeeper。

1. 时钟源注册过程:

linux可以有很多时钟源，其中一种时钟源是jiffies。还有就是平台相关的时钟源，精度较高。当然在注册了很多种时钟源之后，linux内核也用某种方式去选择当前的时钟源来保证最好的精度。这里写图片描述

1）jiffies时钟源注册过程：

jiffies我们知道就是一秒钟会增加相当于HZ大小的一个变量。首先需要根据时钟源，填充clocksource相关数据结构中的成员。

static struct clocksource clocksource_jiffies = { .name= "jiffies", .rating= 1, .read= jiffies_read, /*读取当前jiffies*/ .mask= 0xffffffff, /*32bits*/ .mult= NSEC_PER_JIFFY << JIFFIES_SHIFT, /* details above */ .shift= JIFFIES_SHIFT,};

从这个例子，可以看出来 (mult>>shift)*cloclsource->read() 这个读的就是jiffies数。当然如果要注册一些更高精度的时钟源，mult和shift要进行小心的计算，以保证其值不会溢出。这个后面再看。

2. 平台相关的时钟源

int clocksource_register(struct clocksource *cs){ /* calculate max adjustment for given mult/shift */ cs->maxadj = clocksource_max_adjustment(cs); /*计算相当于mult值得11%赋给maxadj*/ /* calculate max idle time permitted for this clocksource */ cs->max_idle_ns = clocksource_max_deferment(cs); /*max_idle_ns计算方法看下面*/ mutex_lock(&clocksource_mutex); clocksource_enqueue(cs); //把注册的clock source 添加到clocksource_list链表中，按rate的降序排序 clocksource_enqueue_watchdog(cs); clocksource_select(); //按rate选择最佳的clocksource，当然这里rate哪个大就选哪个，， mutex_unlock(&clocksource_mutex); return 0;}static u64 clocksource_max_deferment(struct clocksource *cs){ u64 max_nsecs, max_cycles; max_cycles = 1ULL << (63 - (ilog2(cs->mult + cs->maxadj) + 1)); /* 上面的计算出来就是2的63次方 = max_cycles*(cs->mult + cs->maxadj) ，也就是说这个是在计算2的63次方纳秒对应的cycles，也就是计算最大的cycles，因为时间对应的纳秒不能超过2的64次方，因为会溢出 */ max_cycles = min_t(u64, max_cycles, (u64) cs->mask); /*max_cycles和cs->mask中的最小值赋值给max_cycles*/ max_nsecs = clocksource_cyc2ns(max_cycles, cs->mult - cs->maxadj, cs->shift);return max_nsecs - (max_nsecs >> 3);}static struct clocksource clocksource_counter = {.name = "arch_sys_counter",.rating = 400,.read = arch_counter_read,.mask = CLOCKSOURCE_MASK(56),.flags = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,};static void __init arch_timer_counter_init(void){ clocksource_register_hz(&clocksource_counter, arch_timer_rate); setup_sched_clock(arch_timer_update_sched_clock, 32, arch_timer_rate);/* Use the architected timer for the delay loop. */ arch_delay_timer.read_current_timer = &arch_timer_read_current_timer; arch_delay_timer.freq = arch_timer_rate; register_current_timer_delay(&arch_delay_timer);}static inline int clocksource_register_hz(struct clocksource *cs, u32 hz){ return __clocksource_register_scale(cs, 1, hz);}int __clocksource_register_scale(struct clocksource *cs, u32 scale, u32 freq){ /* Initialize mult/shift and max_idle_ns */ __clocksource_updatefreq_scale(cs, scale, freq); //根据clocksource的频率计算mult和shit的值 /* Add clocksource to the clcoksource list */ mutex_lock(&clocksource_mutex); clocksource_enqueue(cs); clocksource_enqueue_watchdog(cs); clocksource_select(); mutex_unlock(&clocksource_mutex); return 0;}void __clocksource_updatefreq_scale(struct clocksource *cs, u32 scale, u32 freq){ u64 sec; sec = (cs->mask - (cs->mask >> 3)); do_div(sec, freq); do_div(sec, scale);if (!sec) sec = 1;else if (sec > 600 && cs->mask > UINT_MAX) sec = 600; clocks_calc_mult_shift(&cs->mult, &cs->shift, freq, NSEC_PER_SEC / scale, sec * scale); cs->maxadj = clocksource_max_adjustment(cs);while ((cs->mult + cs->maxadj < cs->mult)|| (cs->mult - cs->maxadj > cs->mult)) { cs->mult >>= 1; cs->shift--; cs->maxadj = clocksource_max_adjustment(cs);} cs->max_idle_ns = clocksource_max_deferment(cs);}voidclocks_calc_mult_shift(u32 *mult, u32 *shift, u32 from, u32 to, u32 maxsec){ u64 tmp; u32 sft, sftacc= 32; tmp = ((u64)maxsec * from) >> 32; while (tmp) { tmp >>=1; sftacc--;}for (sft = 32; sft > 0; sft--) { tmp = (u64) to << sft; tmp += from / 2; do_div(tmp, from);if ((tmp >> sftacc) == 0)break;}*mult = tmp;*shift = sft;}

kernel用乘法+移位来替换除法：根据cycles来计算过去了多少ns。单纯从精度上讲，肯定是mult越大越好，但是计算过程可能溢出，所以mult也不能无限制的大，这个计算中有个magic number 600 ：这个600的意思是600秒，表示的Timer两次计算当前计数值的差不会超过10分钟。主要考虑的是系统进入IDLE状态之后，时间信息不会被更新，10分钟内只要退出IDLE，clocksource还是可以成功的转换时间。当然了，最后的这个时间不一定就是10分钟，它由clocksource_max_deferment计算并将结果存储在max_idle_ns中筒子比较关心的问题是如何计算 ,精度如何,其实我不太喜欢这种计算,Kernel总是因为某些原因把代码写的很蛋疼.反正揣摩代码意图要花不少时间,收益嘛其实也不太大.如何实现我也不解释了,我以TSC为例子我评估下这种mult+shift的精度.

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>typedef unsigned int u32;typedef unsigned long long u64;#define NSEC_PER_SEC 1000000000Lvoidclocks_calc_mult_shift(u32 *mult, u32 *shift, u32 from, u32 to, u32 maxsec){ u64 tmp; u32 sft, sftacc= 32; /* * * Calculate the shift factor which is limiting the conversion * * range: * */ tmp = ((u64)maxsec * from) >> 32; while (tmp) { tmp >>=1; sftacc--; } /* * * Find the conversion shift/mult pair which has the best * * accuracy and fits the maxsec conversion range: * */ for (sft = 32; sft > 0; sft--) { tmp = (u64) to << sft; tmp += from / 2; //do_div(tmp, from); tmp = tmp/from; if ((tmp >> sftacc) == 0) break; } *mult = tmp; *shift = sft;}int main(){ u32 tsc_mult; u32 tsc_shift ; u32 tsc_frequency = 2127727000/1000; //TSC frequency(KHz) clocks_calc_mult_shift(&tsc_mult,&tsc_shift,tsc_frequency,NSEC_PER_SEC/1000, 600*1000); //NSEC_PER_SEC/1000是因为TSC的注册是clocksource_register_khz fPRintf(stderr,"mult = %d shift = %d/n",tsc_mult,tsc_shift); return 0;}

600是根据TSC clocksource的MASK算出来的的入参,感兴趣可以自己推算看下结果:

mult = 7885042 shift = 24root@manu:~/code/c/self/time# pythonPython 2.7.3 (default, Apr 10 2013, 05:46:21) [GCC 4.6.3] on linux2Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.>>> (2127727000*7885042)>>241000000045L>>> 我们知道TSC的frequency是2127727000Hz,如果cycle走过2127727000,就意味过去了1秒,或者说10^9(us).按照我们的算法得出的时间是1000000045ns. 这个误差是多大呢,每走10^9秒,误差是45纳秒,换句话说,运行257天,产生1秒的计算误差.考虑到NTP的存在,这个运算精度还可以了.

3. clocksource watchdog

clocksource_enqueue_watchdog会将clocksource挂到watchdog链表.watchdog顾名思义,监控所有clocksource:

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

如果0.5秒内,误差大于0.0625s,表示这个clocksource精度极差,将rating设成0.

实际的应用场景

以高通msm8916为例，除了jiffies，其他clocksource是没有直接使用kernel/kernel/time/clocksource.c文件里边的接口的。其他arm_arch_timer.c[/kernel/driver/clocksource/arm_arch_timer.c] 和 arch_timer.c [kernel/arch/arm/kernel/arch_timer.c] 两个都是使用 sched_clock.c[/kernel/kernel/time/sched_clock.c]文件里边的 sched_clock_register()来进行注册，并使用sched_clock_32()函数读取当前时间。

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