Linux時間子系統(tǒng)之：時鐘源
clock source 用于為 Linux 內(nèi)核提供一個時間基線，如果你用 Linux 的 date 命令獲取當(dāng)前時間，內(nèi)核會讀取當(dāng)前的 clock source，轉(zhuǎn)換并返回合適的時間單位給用戶空間。
在硬件層，它通常實現(xiàn)為一個由固定時鐘頻率驅(qū)動的計數(shù)器，計數(shù)器只能單調(diào)地增加，直到溢出為止。時鐘源是內(nèi)核計時的基礎(chǔ)，系統(tǒng)啟動時，內(nèi)核通過硬件RTC獲得當(dāng)前時間，在這以后，在大多數(shù)情況下，內(nèi)核通過選定的時鐘源更新實時時間信息（墻上時間），而不再讀取RTC的時間。
本節(jié)的內(nèi)核代碼樹基于V3.4.10。
struct clocksource結(jié)構(gòu)
內(nèi)核用一個clocksource結(jié)構(gòu)對真實的時鐘源進(jìn)行軟件抽象，現(xiàn)在我們從clock source的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(guān)注clocksource中的幾個重要的字段。
1 rating：時鐘源的精度
同一個設(shè)備下，可以有多個時鐘源，每個時鐘源的精度由驅(qū)動它的時鐘頻率決定，比如一個由10MHz時鐘驅(qū)動的時鐘源，他的精度就是100nS。clocksource結(jié)構(gòu)中有一個rating字段，代表著該時鐘源的精度范圍，它的取值范圍如下：
1--99：不適合于用作實際的時鐘源，只用于啟動過程或用于測試； 100--199：基本可用，可用作真實的時鐘源，但不推薦； 200--299：精度較好，可用作真實的時鐘源； 300--399：很好，精確的時鐘源； 400--499：理想的時鐘源，如有可能就必須選擇它作為時鐘源；
1.2 read回調(diào)函數(shù)
時鐘源本身不會產(chǎn)生中斷，要獲得時鐘源的當(dāng)前計數(shù)，只能通過主動調(diào)用它的read回調(diào)函數(shù)來獲得當(dāng)前的計數(shù)值，注意這里只能獲得計數(shù)值，也就是所謂的cycle，要獲得相應(yīng)的時間，必須要借助clocksource的mult和shift字段進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shù)值，要轉(zhuǎn)換為時間，我們必須要知道驅(qū)動clocksource的時鐘頻率F，一個簡單的計算就可以完成：
t = cycle / F;
可是clocksource并沒有保存時鐘的頻率F，因為使用上面的公式進(jìn)行計算，需要使用浮點運算，這在內(nèi)核中是不允許的。
因此，內(nèi)核使用了另外一個變通的辦法，根據(jù)時鐘的頻率和期望的精度，事先計算出兩個輔助常數(shù)mult和shift，然后使用以下公式進(jìn)行cycle和t的轉(zhuǎn)換：
t = (cycle * mult) >> shift;
只要我們保證：
F = (1 << shift) / mult;
內(nèi)核內(nèi)部使用64位進(jìn)行該轉(zhuǎn)換計算：
static inline s64
clocksource_cyc2ns(cycle_t cycles, u32 mult, u32 shift)
{
return ((u64) cycles * mult) >> shift;
}
從轉(zhuǎn)換精度考慮，mult 的值是越大越好，但是為了計算過程不發(fā)生溢出，mult 的值又不能取得過大。為此內(nèi)核假設(shè) cycle 計數(shù)值被轉(zhuǎn)換后的最大時間值：10分鐘（600秒），主要的考慮是 CPU 進(jìn)入 IDLE 狀態(tài)后，時間信息不會被更新，只要在10分鐘內(nèi)退出IDLE，clocksource 的 cycle 計數(shù)值就可以被正確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時間，然后系統(tǒng)的時間信息可以被正確地更新。
當(dāng)然最后的結(jié)果不一定是10分鐘，它由 clocksource_max_deferment 進(jìn)行計算，并保存 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(huán)境下，系統(tǒng)保持 IDLE 狀態(tài)的時間過長。在這樣，由 10 分鐘這個假設(shè)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(shù)通知內(nèi)核它的工作時鐘的頻率，調(diào)用的過程如下：
由上圖可見，最終大部分工作會轉(zhuǎn)由 __clocksource_register_scale 完成，該函數(shù)首先完成對 mult 和 shift 值的計算，然后根據(jù) mult 和 shift 值，最終通過 clocksource_max_deferment 獲得該 clocksource 可接受的最大 IDLE 時間，并記錄在 clocksource 的 max_idle_ns 字段中。clocksource_enqueue 函數(shù)負(fù)責(zé)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(jìn)來，都會觸發(fā) clocksource_select 函數(shù)被調(diào)用，它按照 rating 值選擇最好的 clocksource，并記錄在全局變量 curr_clocksource 中，然后通過 timekeeping_notify 函數(shù)通知 timekeeping，當(dāng)前clocksource 已經(jīng)變更，關(guān)于 timekeeping，我將會在后續(xù)的博文中闡述。
3. clocksource watchdog
系統(tǒng)中可能同時會注冊對個 clocksource，各個 clocksource 的精度和穩(wěn)定性各不相同，為了篩選這些注冊的 clocksource，內(nèi)核啟用了一個定時器用于監(jiān)控這些 clocksource 的性能，定時器的周期設(shè)為0.5秒：
#define WATCHDOG_INTERVAL (HZ >> 1)
#define WATCHDOG_THRESHOLD (NSEC_PER_SEC >> 4)
當(dāng)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(nèi)，clocksource 的偏差大于這個值就表示這個 clocksource 是不穩(wěn)定的，定時器的回調(diào)函數(shù)通過 clocksource_watchdog_kthread 線程標(biāo)記該 clocksource，并把它的 rate 修改為0，表示精度極差。
4. 建立clocksource的簡要過程
在系統(tǒng)的啟動階段，內(nèi)核注冊了一個基于 jiffies 的 clocksource，代碼位于 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，如果平臺的代碼沒有提供定制的 clocksource_default_clock 函數(shù)，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(shè)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(dāng)然，如果平臺級的代碼在初始化時也會注冊真正的硬件 clocksource，所以經(jīng)過 clocksource_select 函數(shù)后，curr_clocksource 將會被設(shè)為最合適的 clocksource。如果 clocksource_select 函數(shù)認(rèn)為需要切換更好的時鐘源，它會通過 timekeeping_notify 通知 timekeeping 系統(tǒng)，使用新的 clocksource 進(jìn)行時間計數(shù)和更新操作。
原文地址：https://blog.csdn.net/DroidPhone/article/details/7975694