Linux内核-定时器篇

zaliasc

2023-07-15 1343 words 3 minutes

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计算机中的许多活动都是由定时器来进行驱动的，如：每5ms一次的时钟中断、系统时间的更新、软定时器、进行调度中的时间片控制等等。

LInux内核中的内核定时功能主要分为两种：

1、维持系统时间，共time()、gettimeofday()等系统调用和内核使用。

2、维持一个定时器，以便通知内核某一时间间隔已经过去。

硬件定时系统

时钟和定时器的实现依赖于硬件的定时器电路，主要有以下几种：

1、RTC （Real Time Clock）时钟

存在于主板上，独立于CPU和其他电路，由单独的供电器。

RTC会在IRQ8上发出周期性的中断。

Linux只使用RTC获取时间和日期，可以通过对/dev/rtc进行操作，来对RTC进行编程。

2、TSC （Time Stamp Counter）TSC 时间戳计数器

TSC 包含在处理器内部，有一条clk的输入引脚，来记录外部时钟振荡器的周期数，在每个时钟信号到来时+1。

TSC 的值保存在寄存器中，通过汇编 rdtsc 可以获取寄存器的值。

TSC 的增加次数和 CPU频率有关，如果是1GHZ，那么每ns增加一次。

时钟信号的频率由Linux在初始化系统的时候进行确定。

3、PIT （Programmable Interval Timer）可编程间隔定时器

PIT 的作用类似于闹钟，存在于CPU内部，可在一个时间间隔以后发出时钟中断，用来产生系统的时钟中断。

PIT 的时间间隔是固定的，如 1ms。

4、CPU 本地定时器

在 CPU 的本地 APIC 中，还有一种定时测量设备。

CPU 本地定时器和 PIT 有些区别：

APIC计数器是32位，PIC是64位，这意味着PIT可以产生频率更低的中断（计数器中存放的是节拍数）。
APIC的时钟信号基于总线，PIT内部有自己的时钟振荡器。
APIC只把终端发给自己的CPU，而PIT产生全局性中断（这点在SMP系统中是有区别的）。

5、HPET 高精度事件定时器

Intel和Microsoft开发的新型定时芯片，使用不普遍。

包含8个计数器，每个计数器有自己的时钟信号驱动，是功能更强的硬件定时器。

UP 的计时体系结构

在单处理器系统上，所有与定时有关的活动都由PIT产生的中断触发。

SMP 的计时体系结构

在多处理器系统中，时钟中断源有两种：

CPU本地定时器的中断，APIC
可编程定时器中断，PIT或HPET

PIT或HPET产生的时钟中断称为全局时钟中断，负责不涉及具体CPU的活动，如：软定时器和系统时间的更新。

APIC产生的本地时钟中断触发涉及本地 CPU的活动：如监视进程的运行时间。

软定时器和延迟函数

定时器是一种软件功能，在未来的某个时刻进行函数的调用。

定时器的实现思路很简单，相关的数据结构中包含一个时刻，在时钟中断到来时，比较时刻与当前时刻 jiffies 的大小即可判断定时器是否到达时间。

动态定时器-多级时间轮

动态定时器的实现使用了多级时间轮的数据结构，不详细描述。

对软定时器的处理比较耗时，因此不在时钟中断处理例程中进行处理，而是被延迟到软中断中进行执行，这里是 TIMER_SOFTIRQ。

由于定时器的执行由 softirq 执行，其精度会有一定的影响，执行可能会被延迟几百毫秒。

延迟函数

当内核需要等待一个较短的时间间隔（几毫秒）时使用。

执行指令循环到目标时间。

Reference

[1] 深入理解LINUX内核